DE69635587T2 - ULTRASONIC DEVICE FOR FIXING BONE PROPERTIES - Google Patents

ULTRASONIC DEVICE FOR FIXING BONE PROPERTIES Download PDF

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Description

GEBIET DER ERFINDUNGAREA OF INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung von mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen sowie eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der mechanischen Eigenschaften von Knochen und der Knochengüte.The The present invention relates generally to a device for destructive Measurement of mechanical properties of materials as well as a Nondestructive device Measurement of mechanical properties of bone and bone quality.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Es ist in der Technik bekannt, dass die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem Werkstoff von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs abhängt. Dieses Phänomen wird z. B. beschrieben durch C. H. Hastings und S. W. Carter in einem Artikel mit dem Titel "Inspection, Processing and Manufacturing Control of Metal by Ultrasonic Methods", Symposium zur Ultraschallprüfung, 52. Jahrestagung der amerikanischen Gesellschaft für Werkstoffprüfung, 28. Juni 1949, S. 16–47.It It is known in the art that the speed of a sound wave in a material of the mechanical properties of the material depends. This phenomenon is z. As described by C.H. Hastings and S.W. Carter in an article entitled "Inspection, Processing and Manufacturing Control of Metal by Ultrasonic Methods, Symposium on Ultrasonic Testing, 52. Annual Meeting of the American Society for Materials Testing, 28. June 1949, p. 16-47.

Die US-Patente 3.720.098, 3.228.232, 3.288.241, 3.372.163, 3.127.950, 3.512.400, 4.640.132, 4.597.292 und 4.752.917 beschreiben den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall.The U.S. Patents 3,720,098, 3,228,232, 3,288,241, 3,372,163, 3,127,950, 3.512.400, 4.640.132, 4.597.292 and 4.752.917 describe the state the technique of non-destructive exam by ultrasound.

Eine Schallwelle, die unter einem Winkel auf einen unendlichen Halbfestkörper trifft, wird sich typischerweise durch den Festkörper und an diesem entlang in Form von drei Wellen ausbreiten, und zwar als longitudinale, transversale und Oberflächenwellen, wobei jede Welle eine andere Geschwindigkeit besitzt. Wie durch Hastings und Carter beschrieben wurde, besitzen die drei Wellen die folgenden Geschwindigkeiten:

Figure 00010001
VS = αVT (3a)
Figure 00010002
wobei VL, VT und VS die Geschwindigkeiten der longitudinalen, der transversalen bzw. der Raleigh-Oberflächenwelle sind und E, σ und rho das Young-Modul, das Poisson-Verhältnis von lateraler Kontraktion und longitudinaler Ausdehnung bzw. die Massendichte des Werkstoffs sind. Die Gleichung (3b) ist eine empirische Beziehung, die auf Seite 326 des Dokuments "Wave Motion in Elastic Solids" von Karl F. Graff definiert ist, das durch Clarendon Press, Oxford, England, 1975 veröffentlicht wurde.A sound wave striking an infinite semi-solid at an angle will typically propagate through and along the solid in the form of three waves, as longitudinal, transverse, and surface waves, each wave having a different velocity. As described by Hastings and Carter, the three waves have the following speeds:
Figure 00010001
V S = αV T (3a)
Figure 00010002
where V L , V T and V S are the velocities of the longitudinal, transverse and Raleigh surface waves, respectively, and E, σ and rho are the Young's modulus, the Poisson ratio of lateral contraction and longitudinal expansion and the bulk density of the material, respectively are. Equation (3b) is an empirical relationship defined on page 326 of the document "Wave Motion in Elastic Solids" by Karl F. Graff, published by Clarendon Press, Oxford, England, in 1975.

Bei der Ultraschallmessung des Zustands von Knochen wird typischerweise lediglich die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle verwendet. In einem Artikel mit dem Titel "Osteoporotic Bone Fragility: Detection by Ultrasound Transmission Velocity", R. P. Heaney u. a., JAMA, Bd. 261, Nr. 20, 26. Mai 1989, S. 2986–2990, ist das Young-Modul E von Knochen empirisch angegeben als: E = K(rho)2 (4a) In ultrasound measurement of the condition of bone, typically only the velocity of the longitudinal wave is used. In an article entitled "Osteoporotic Bone Fragility: Detection by Ultrasound Transmission Velocity", RP Heaney et al., JAMA, vol. 261, no. 20, 26 May 1989, pp. 2986-2990, the Young's modulus E of Bone empirically given as: E = K (rho) 2 (4a)

Die Geschwindigkeit der longitudinalen Schallwelle in dem Knochen ist angegeben als: VL = √(E/rho) = √(K·rho) (4b)wobei K eine Konstante ist, die mehrere Faktoren enthält, wie etwa die räumliche Ausrichtung der Knochenstrukturen, inhärente Eigenschaften des Knochenwerkstoffs und Ermüdungsschäden. Deswegen ist die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle eine Funktion der Massendichte und kann als eine Angabe der Knochengüte verwendet werden.The velocity of the longitudinal acoustic wave in the bone is given as: VL = √ (E / rho) = √ (K * rho) (4b) where K is a constant containing several factors, such as the spatial orientation of the bone structures, inherent properties of the bone material, and fatigue damage. Therefore, the velocity of the longitudinal wave is a function of mass density and can be used as an indication of bone quality.

Die folgenden Artikel erläutern ebenfalls die Ultraschallmessung des Knochenzustands sowohl im lebenden Organismus (in-vivo) als auch im präparierten Organismus (in-vitro):
"Measurement of the Velocity of Ultrasound in Human Cortical Bone In Vivo", M. A. Greenfield u. a., Radiology, Bd. 138, März 1981, S. 701–710; und
"Combined 2,25 MHz ultrasound velocity and bone mineral density measurements in the equine metacarpus and their in vivo applications", R. N. McCartney and L. B. Jeffcott, Medical and Biological Engineering and Computation, Bd. 25, 1987, Nov. 1877, S. 620–626.
The following articles also explain the ultrasound measurement of the bone condition both in the living organism (in vivo) and in the prepared organism (in vitro):
"Measurement of the Velocity of Ultrasound in Human Cortical Bone In Vivo", MA Greenfield et al., Radiology, Vol. 138, March 1981, pp. 701-710; and
"Combined 2.25 MHz ultrasound velocity and bone mineral density measurements in the equine metacarpus and their in vivo applications", RN McCartney and LB Jeffcott, Medical and Biological Engineering and Computation, Vol. 25, 1987, Nov. 1877, p. 620 -626.

Um am lebenden Organismus Ultraschallmessungen der mechanischen Eigen schaften des Knochens auszuführen, muss eine Ultraschallwelle durch das den Knochen umgebende Weichgewebe übertragen werden. Die Dicke des Weichgewebes ändert sich leider über die Länge des Knochens. Diese Dickenänderung kann die Genauigkeit der Messung der Ultraschallausbreitungszeit beeinflussen. In den oben erwähnten Artikeln wird die Dicke des Weichgewebes entweder ignoriert oder es wird versucht, die Wirkungen des Weichgewebes aufzuheben. In den Artikeln, die In-vitro-Experimente (Experimente am präparierten Organismus) beschreiben, ist das Weichgewebe von Knochen entfernt.Around on the living organism ultrasonic measurements of the mechanical properties of the bone, must transmit an ultrasonic wave through the soft tissue surrounding the bone become. The thickness of the soft tissue unfortunately changes over the Length of the Bone. This change in thickness can affect the accuracy of the ultrasonic propagation time measurement. In the above mentioned Articles, the thickness of the soft tissue is either ignored or an attempt is made to neutralize the effects of soft tissue. In the articles that prepared in-vitro experiments (experiments on Organism), the soft tissue is removed from bone.

Die russischen Patente 1.420.383, 1.308.319, 1.175.435, 1.324.479, 1.159.556 und 1.172.534 und die US-Patente 2.926.870, 4.361.154, 4.774.959, 4.421.119, 4.941.474, 3.847.141, 4.913.157 und 4.930.511 beschreiben verschiedene Systeme zum Messen der Festigkeit von Knochen anhand der Geschwindigkeit VL. Dieses Systeme besitzen typischerweise einen Ultraschallsignal-Sender und wenigstens einen Ultraschallsignal-Empfänger.Russian Patents 1,420,383, 1,308,319, 1,175,435, 1,324,479, 1,159,556 and 1,172,534, and U.S. Patents 2,926,870, 4,361,154, 4,774,959, 4,421,119, 4,941,474 , 3,847,141, 4,913,157 and 4,930,511 describe various systems for measuring the strength of bones based on velocity V L. These systems typically have an ultrasonic signal transmitter and at least one ultrasonic signal receiver.

In den russischen Patenten 1.420.383, 1.308.319 und 1.175.435 wird versucht, das Problem der unbekannten Dicke des Weichgewebes zu lösen, indem Werte der Dicke des Weichgewebes in dem Bereich der Messung angenommen werden oder indem angenommen wird, dass die Dickenänderung über den Abstand zwischen den beiden Ultraschallempfängern gering ist.In Russian patents 1.420.383, 1.308.319 and 1.175.435 trying to solve the problem of unknown thickness of soft tissue to solve, by taking values of the thickness of the soft tissue in the range of measurement or by assuming that the thickness change over the Distance between the two ultrasonic receivers is low.

Im russischen Patent 1.342.279 werden zwei Empfänger und ein einzelner Sender verwendet und es wird eine durchschnittliche Gruppengeschwindigkeit durch den Knochen anhand des Abstands zwischen den beiden Empfängern berechnet.in the Russian patent 1,342,279 will be two receivers and a single transmitter used and it becomes an average group speed calculated by the bone based on the distance between the two receivers.

Im russischen Patent 1.159.556 werden Zonen eines Knochens definiert und der Zustand eines Knochens wird durch die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Amplitude des gemessenen Ultraschallsignals bestimmt, wobei unterschiedliche Zonen unterschiedliche Geschwindigkeiten besitzen. Es scheint, dass diese Messung an einem operativ entfernten Knochen ausgeführt wird.in the Russian patent 1,159,556 defines zones of a bone and the condition of a bone is determined by the difference between the maximum and the minimum amplitude of the measured ultrasonic signal determined, with different zones different speeds have. It seems that this measurement is on a surgically removed Executed bones becomes.

Im russischen Patent 1.172.534 wird ein System beschrieben, bei dem das Ultraschallsignal eines gesunden Knochens mit dem eines kranken Knochens verglichen wird und aus dem Vergleich eine Diagnose des Umfangs der Erkran kung in dem kranken Knochen abgeleitet wird.in the Russian Patent 1,172,534 describes a system in which the ultrasonic signal of a healthy bone with that of a sick one Bone is compared and from the comparison a diagnosis of the scope the disease is derived in the diseased bone.

In den US-Patenten 4.926.870, 4.421.119 und 3.847.141 werden Systeme beschrieben, bei denen ein Empfänger und ein Sender an gegenüberliegenden Seiten eines Knochens angeordnet werden. Im US-Patent 4.926.870 wird außerdem ein resultierendes Signal mit einer kanonischen Signalform verglichen, um den Gesundheitszustand des Knochens zu klassifizieren.In U.S. Patents 4,926,870, 4,421,119, and 3,847,141 describe systems described in which a receiver and a transmitter on opposite Sides of a bone can be arranged. In U.S. Patent 4,926,870 will also comparing a resultant signal with a canonical waveform, to classify the state of health of the bone.

In den US-Patenten 4.913.157, 4.774.959 und 4.941.474 werden Systeme beschrieben, bei denen ein Ultraschallsignal mit einem Frequenzspektrum ausgesendet wird.In U.S. Patents 4,913,157, 4,774,959 and 4,941,474 describe systems described in which an ultrasonic signal with a frequency spectrum is sent out.

Im US-Patent 4.930.511 wird ein System beschrieben, das um einen genormten leblosen homogenen Werkstoff mit bekannten akustischen Eigenschaften angeordnet wird, bevor es um einen Knochen angeordnet wird.in the U.S. Patent 4,930,511 describes a system that is standardized Lifeless homogeneous material with known acoustic properties is placed before it is placed around a bone.

Im US-Patent 5.143.072, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingeschlossen ist, wird ein Verfahren zum Überwinden der Einflüsse der unbekannten Dicke des dazwischenliegenden Weichgewebes beschrieben. 1A, die das Verfahren dieses Patents veranschaulicht, zeigt einen Ultraschallsender 2 und zwei Ultraschallempfänger 4 und 6, die alle kolinear sind. Der Sender 2 sendet eine Ultraschallwelle durch Weichgewebe 22 zu einem Knochen 18. Das erste Signal, das am Empfänger 4 empfangen wird, verläuft durch den schnellsten Weg. Dieser Weg enthält einen ersten Weichgewebe-Wegabschnitt 8, einen Knochenoberflächenabschnitt 10 und einen zweiten Weichgewebe-Wegabschnitt 14. Ein Winkel 23 zwischen dem Weg 8 und dem Weg 10 wird durch das Verhältnis zwischen der Schallgeschwindigkeit im Knochen 18 und der Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe 22 bestimmt. Das erste Signal, das vom Empfänger 6 empfangen wird, verläuft durch den ersten Weichgewebe-Wegabschnitt 8, den Knochenoberflächenabschnitt 10, einen zusätzlichen Knochenwegabschnitt 12 und einen dritten Weichgewebe-Wegabschnitt 16. Die Ausbreitungszeiten für das erste empfangene Signal an den Empfängern 4 und 6 werden gemessen. Wenn die Empfänger 4 und 6 so ausgerichtet sind, dass der Weg 14 und der Weg 16 die gleiche Länge haben, ergibt eine Subtraktion der beiden Signalausbreitungszeiten die Ausbreitungszeit im Knochenabschnitt 12. Da der Knochenabschnitt 12 die gleiche Länge besitzt wie der Abstand zwischen dem Empfänger 4 und dem Empfänger 6, kann die Schallgeschwindigkeit im Knochenabschnitt 12 bestimmt werden.In U.S. Patent 5,143,072, the disclosure of which is incorporated herein by reference, a method for overcoming the effects of unknown thickness of the intervening soft tissue is described. 1A , which illustrates the method of this patent, shows an ultrasonic transmitter 2 and two ultrasonic receivers 4 and 6 that are all colinear. The transmitter 2 sends an ultrasonic wave through soft tissue 22 to a bone eighteen , The first signal, the receiver 4 is received, runs through the fastest path. This path contains a first soft tissue path section 8th , a bone surface section 10 and a second soft tissue pathway section 14 , An angle 23 between the way 8th and the way 10 is determined by the relationship between the speed of sound in the bone eighteen and the speed of sound in soft tissue 22 certainly. The first signal from the receiver 6 is received, passes through the first soft tissue path section 8th , the bone surface section 10 , one too additional bone path section 12 and a third soft tissue pathway section 16 , The propagation times for the first received signal at the receivers 4 and 6 are measured. If the receiver 4 and 6 are aligned so that the way 14 and the way 16 have the same length, a subtraction of the two signal propagation times gives the propagation time in the bone section 12 , Because the bone section 12 the same length as the distance between the receiver 4 and the receiver 6 , the speed of sound in the bone section 12 be determined.

1B zeigt ein Verfahren, das durch das Patent '072 offenbart ist, wobei sichergestellt wird, dass der Weg 16 und der Weg 14 die gleiche Länge aufweisen. Die Empfänger 4 und 6 sind außerdem gleichzeitig Sender und sie werden verwendet, um die Wellenausbreitungszeiten längs den Wegen 30 (und 32) zwischen den Empfängern 4 (und 6) und dem Knochen 18 zu messen. In einer zusätzlichen offenbarten Ausführungsform sind der Sender 2 und die Empfänger 4 und 6 auf einer Kippeinrichtung angebracht, die das Weichgewebe 22 beim Kippen zusammendrückt, so dass dann, wenn die Ausbreitungszeiten längs den Wegen 30 und 32 gleich sind, die Schallgeschwindigkeit des Knochens bestimmt wird. 1B shows a method disclosed by the '072 patent, ensuring that the path 16 and the way 14 have the same length. The recipients 4 and 6 are also transmitters at the same time and they are used to calculate the wave propagation times along the paths 30 (and 32 ) between the recipients 4 (and 6 ) and the bone eighteen to eat. In an additional disclosed embodiment, the transmitter 2 and the recipients 4 and 6 attached to a tilting device that supports the soft tissue 22 when tilting squeezes, so that when the propagation times along the ways 30 and 32 are equal, the speed of sound of the bone is determined.

Selbst dieses Verfahren besitzt jedoch mehrere ernsthafte Nachteile. Erstens ist die Weichgewebe-Geschwindigkeit keine Konstante, sondern sie ändert sich mit dem Typ des Weichgewebes. Da die Ausbreitungswege 30 und 32 nicht gleich den Wegen 14 und 16 sind, können die Ausbreitungszeiten längs der Wege 14 und 16 unterschiedlich sein und die berechnete Schallgeschwindigkeit des Knochens ist nicht korrekt, selbst wenn die Ausbreitungszeiten längs der Wege 30 und 32 gleich sind. Zweitens erfordert das oben beschriebene Verfahren einen verhältnismäßig langen Abschnitt eines ebenen Knochens. Dadurch kann lediglich eine kleine Anzahl von Knochen, wie etwa das Schienenbein, durch dieses Verfahren geprüft werden. Da außerdem Hochfrequenz-Ultraschallwellen sehr verlustbehaftet sind, ist es unpraktisch, sie bei diesem Verfahren zu verwenden. Drittens ist die räumliche Auflösung dieses Verfahrens mit etwa 2–5 cm verhältnismäßig gering.However, even this method has several serious disadvantages. First, the soft tissue velocity is not a constant, but it varies with the type of soft tissue. Because the propagation paths 30 and 32 not equal to the ways 14 and 16 are, the propagation times along the paths 14 and 16 be different and the calculated speed of sound of the bone is not correct, even if the propagation times along the paths 30 and 32 are the same. Second, the method described above requires a relatively long section of flat bone. As a result, only a small number of bones, such as the tibia, can be tested by this method. In addition, since high-frequency ultrasonic waves are very lossy, it is impractical to use them in this method. Third, the spatial resolution of this method is relatively small at about 2-5 cm.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION

Es ist eine Aufgabe von einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen, das eine hohe Auflösung besitzt, zu schaffen. Außerdem kann ein kleiner Abschnitt des Knochens gemessen werden, so dass nahezu alle Knochen des menschlichen Körpers unter Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessen werden können.It is an object of some aspects of the present invention, a method for determining the speed of sound of bones, that a high resolution owns, to create. Furthermore a small section of the bone can be measured so that almost all bones of the human body using a preferred embodiment of the present invention can be measured.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein Sender und ein Empfänger einem Knochen zugewandt auf der Haut eines Pa tienten angeordnet. Die Schallgeschwindigkeit in einem Knochen wird gemessen durch:

  • (1) Senden eines ersten Ultraschallsignals längs eines Übertragungsweges von dem Sender durch das den Knochen umgebende Weichgewebe zu dem Knochen, längs der Oberfläche des Knochens und durch das Weichgewebe zurück zum Empfänger;
  • (2) Messen der Ausbreitungszeit des schnellsten Signals zwischen dem Sender und dem Empfänger; und
  • (3) Berechnen der Schallgeschwindigkeit des Knochens anhand des Abstands zwischen dem Sender und dem Empfänger, der Dicke des Weichgewebes und der Schallgeschwindigkeit in dem Weichgewebe.
In a preferred embodiment of the present invention, a transmitter and a receiver facing a bone are placed on the skin of a patient. The speed of sound in a bone is measured by:
  • (1) transmitting a first ultrasonic signal along a transmission path from the transmitter through the soft tissue surrounding the bone to the bone, along the surface of the bone and through the soft tissue back to the receiver;
  • (2) measuring the propagation time of the fastest signal between the transmitter and the receiver; and
  • (3) Calculate the speed of sound of the bone based on the distance between the transmitter and the receiver, the thickness of the soft tissue and the speed of sound in the soft tissue.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Berechnen sowohl der Schallgeschwindigkeit in dem Weichgewebe als auch seiner Dicke verwendet reflektierte Wellen. Ein Sender und ein Sender/Empfänger werden in einem bekannten Abstand voneinander auf der Haut angeordnet, so dass der schnellste Weg vom Sender zum Sender/Empfänger nicht durch den Knochen verläuft. Das schnellste Signal wird statt dessen von einem Punkt auf dem Knochen zum Sender/Empfänger reflektiert. Es sollte angemerkt werden, dass der Abstand zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger sehr gering sein kann. Die Ausbreitungszeiten eines Signals, das von dem Sender zum Sender/Empfänger gesendet wird, und eines Signals, das von dem Sender/Empfänger gesendet wird und durch den Knochen wieder zum gleichen Sender/Empfänger reflektiert wird, werden gemessen.One preferred method of calculating both the speed of sound reflected in the soft tissue as well as its thickness Waves. A transmitter and a transmitter / receiver are in a known Spaced apart on the skin, making the fastest Way from transmitter to transmitter / receiver does not pass through the bone. Instead, the fastest signal is from a point on the Bone to the transmitter / receiver reflected. It should be noted that the distance between the Transmitter and the transmitter / receiver can be very low. The propagation times of a signal generated by the transmitter to the transmitter / receiver is sent, and a signal sent by the transceiver and reflected back to the same transmitter / receiver through the bone will be measured.

Ein rechtwinkliges Dreieck wird aus den folgenden drei Linienabschnitten gebildet:

  • (a) eine erste Seite s1, die die kürzeste Linie ist und den Sender und den Knochen verbindet;
  • (b) eine zweite Seite s2, die eine Linie ist, die am Sender/Empfänger beginnt und sich über die Hälfte des Abstands zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger erstreckt; und
  • (c) eine Hypotenuse H, die die Linie zwischen dem Sender und dem Signalreflexionspunkt auf dem Knochen ist.
A right triangle is made up of the following three line segments:
  • (a) a first side s 1 , which is the shortest line and connects the transmitter and the bone;
  • (b) a second side s 2 , which is a line beginning at the transceiver and extending over half the distance between the transmitter and the transceiver; and
  • (c) a hypotenuse H, which is the line between the transmitter and the signal reflection point on the bone.

Unter der Annahme, dass die Dicke des Weichgewebes unter dem Sender gleich der Dicke unter dem Sender/Empfänger ist, besitzt s1 die gleiche Länge wie der Abstand zwischen dem Sender/Empfänger und den Knochen. Es kann außerdem angenommen werden, dass die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes längs aller gemessenen Wege gleich ist, da sich sehr nahe beieinander liegen. Deswegen ist das Verhältnis zwischen der ersten Seite und der Hypotenuse gleich dem Verhältnis zwischen den gemessenen Ausbreitungszeiten. Die Länge der zweiten Seite wird leicht berechnet durch die bekannte Formel: s1 2 + s2 2 = H2. Da die Längen s1, s2 und H tatsächlich als Zeiten ausgedrückt werden, ist s2 tatsächlich die Zeit, die das Signal benötigen würde, sich über die Hälfte der bekannten Strecke zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger zu bewegen, wenn der Weg im Weichgewebe verlaufen würde. Dadurch wird die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes bestimmt. Die Dicke des Weichgewebes wird nun leicht bestimmt unter Verwendung der gemessenen Ausbreitungszeit von dem Sender/Empfänger zum Knochen und zurück.Assuming that the thickness of the soft tissue under the transmitter is equal to the thickness below the sender Transmitter / receiver, s 1 has the same length as the distance between the transmitter / receiver and the bones. It can also be assumed that the average sound velocity of the soft tissue along all the measured paths is the same, because they are very close to each other. Therefore, the ratio between the first side and the hypotenuse is equal to the ratio between the measured propagation times. The length of the second side is easily calculated by the known formula: s 1 2 + s 2 2 = H 2 . In fact, since the lengths s 1 , s 2, and H are expressed as times, s 2 is actually the time that the signal would take to travel over half the known distance between the transmitter and the transceiver when the path in soft tissue. This determines the speed of sound of the soft tissue. The thickness of the soft tissue is now easily determined using the measured propagation time from the transmitter / receiver to the bone and back.

Alternativ werden andere Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Dicke verwendet. Es wird z. B. ein Röntgenbild verwendet, um die Dicke zu bestimmen, und die Geschwindigkeit wird durch Messen der Zeit bestimmt, die ein Signal benötigt, um sich von einem Sender/Empfänger zum Knochen und zurück längs des Messweges auszubreiten.alternative Other methods for determining speed and thickness used. It is z. B. an X-ray image used to determine the thickness, and the speed becomes determined by measuring the time it takes a signal to from a sender / receiver to the bone and back along the Spread out.

Die Dicke wird vorzugsweise an dem Punkt gemessen, an dem das Signal vom Sender zum Empfänger in den Knochen eintritt. Zusätzlich oder alternativ wird die Dicke des Weichgewebes an dem Punkt gemessen, an dem das Signal vom Sender zum Sender/Empfänger von dem Knochen reflektiert wird.The Thickness is preferably measured at the point where the signal from the transmitter to the receiver enters the bones. additionally or alternatively, the thickness of the soft tissue is measured at the point where the signal from the transmitter to the transmitter / receiver reflects off the bone becomes.

Die Wege des Signals vom Sender zum Sender/Empfänger überlappen vorzugsweise den Weg des Signals vom Sender zum Empfänger.The Ways of the signal from the transmitter to the transmitter / receiver preferably overlap the Path of the signal from the transmitter to the receiver.

Es sollte anerkannt werden, dass die bevorzugten Ausführungsformen an Stelle bei der Abbildung von menschlichem oder tierischem Fleisch zum Analysieren von Holz, Kunststoff, Metall und Verbundwerkstoffen, die mit einer äußeren. Beschichtung aus einem anderen Werkstoff überzogen sind, verwendet werden können.It It should be recognized that the preferred embodiments instead of depicting human or animal meat for analyzing wood, plastic, metal and composite materials, the with an outer one. coating made of a different material are, can be used.

Es sollte anerkannt werden, dass die oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Dicke von Weichgewebe außerdem nützlich sind bei der Verbesserung der Genauigkeit von Verfahren, die Stand der Technik sind, zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen.It It should be recognized that the procedures described above for Determining speed and thickness of soft tissue are also useful in improving the accuracy of procedures, the state of the art Technique are to determine the speed of sound of bones.

Eine typische Auflösung, die unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen ist kleiner als 1 Zentimeter, typischerweise kleiner als 0,5 Zentimeter und vorzugsweise kleiner als 3 Millimeter.A typical resolution, using the method described above for determining the Speed of sound of bones is less than 1 centimeter, typically less than 0.5 centimeters, and preferably smaller than 3 millimeters.

Die oben erwähnten Sender und Empfänger sind vorzugsweise in einem Sensor angebracht, der eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt. Der Sensor wird typischerweise längs seiner langen Achse gekippt, während mehrere Messungen ausgeführt werden. Bevorzugte Messungen der Knochengeschwindigkeit werden ausgeführt, wenn die Dicken der Weichgewebeabschnitte, die unter dem Sender bzw. unter dem Empfänger liegen, gleich sind, selbst wenn die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit nicht gleich ist.The mentioned above Sender and receiver are preferably mounted in a sensor having a long axis and has a short axis. The sensor is typically along its tilted long axis while carried out several measurements become. Preferred measurements of bone velocity are performed when the thicknesses of the soft tissue sections under the transmitter or under the receiver are equal, even if the average speed of sound is not the same.

Zusätzlich oder alternativ wird der Sensor längs seiner kurzen Achse gekippt, während mehrere Messungen ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Abhängigkeit der bestimmten Schallgeschwindigkeit des Knochens von dem Kippwinkel bestimmt. Typischerweise wird die maximale bestimmte Geschwindigkeit als die repräsentative Schallgeschwindigkeit verwendet.Additionally or Alternatively, the sensor is longitudinal tilted his short axis while carried out several measurements become. Preferably, the dependence of the specific speed of sound of the bone determined by the tilt angle. Typically, the maximum certain speed than the representative speed of sound used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren geschaffen, um durch ein eingefügtes Medium die Dicke eines Festkörpers zu bestimmen, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer Breitband-Ultraschallwelle längs eines Weges von einem ersten Ort durch das Medium und längs der Oberfläche des Festkörpers, Empfangen der Welle an einem zweiten Ort und Analysieren der empfangenen Welle, um die Differenz zwischen der Ausbreitungszeit der hochfrequenten Komponente der Welle und der Ausbreitungszeit der niederfrequenten Komponente der Welle zu bestimmen.According to one preferred embodiment The present invention also provides a method by an inserted Medium the thickness of a solid determining, the method comprising: transmitting a broadband ultrasonic wave along a Away from a first place through the medium and along the surface of the solid, Receive the wave at a second location and analyze the received Wave to the difference between the propagation time of the high-frequency Component of the wave and the propagation time of the low-frequency Determine component of the wave.

Es werden Vorrichtungen und Verfahren in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1–52 geschaffen.It Apparatuses and methods are provided in accordance with claims 1-52.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSUMMARY THE DRAWING

Die Erfindung wird vollständiger verstanden aus der folgenden genauen Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit der Zeichnung erfolgt, in der:The Invention becomes more complete understood from the following detailed description of their preferred Embodiments, which takes place in conjunction with the drawing, in which:

1A ein Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen des Standes der Technik zeigt; 1A shows a method for measuring the speed of sound of bones of the prior art;

1B eine Verbesserung des Standes der Technik an dem in 1 gezeigten Verfahren zeigt, die zusätzliche Messungen umfasst; 1B an improvement of the prior art on the in 1 showing methods comprising additional measurements;

2 ein Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 a method for measuring the speed of sound of bones according to a preferred embodiment of the present invention;

3 ein Verfahren zu Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Weichgewebe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 3 a method of determining the speed of sound of soft tissue according to a second preferred embodiment of the present invention;

4A ein bevorzugtes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen zeigt, bei dem Aspekte der Verfahren der 2 und 3 kombiniert sind; 4A shows a preferred method for measuring the speed of sound of bones, in which aspects of the method of the 2 and 3 combined;

4B eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der Aspekte der Verfahren der 2 und 3 kombiniert sind; 4B A further preferred embodiment of the invention, in which aspects of the method of the 2 and 3 combined;

4C das Verfahren von 4A zeigt, das in Fällen von gleichen und ungleichen Dicken des darunterliegenden Gewebes angewendet wird; 4C the procedure of 4A which is used in cases of equal and uneven thicknesses of the underlying tissue;

4D eine vereinfachte schematische Teildarstellung eines Abschnitts des Verfahrens von 3 ist; 4D a simplified schematic partial representation of a portion of the method of 3 is;

4E eine vereinfachte schematische Teildarstellung eines Abschnitts des Verfahrens von 2 ist; 4E a simplified schematic partial representation of a portion of the method of 2 is;

die 5A und 5B ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;the 5A and 5B show a two-step method of measuring the speed of sound of bones according to another preferred embodiment of the present invention;

die 6A und 6B ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer nochmals weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;the 6A and 6B show a two-step method of measuring the speed of sound of bones according to yet another preferred embodiment of the present invention;

7A ein weiteres Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 7A another method for measuring the speed of sound of bone according to another preferred embodiment of the present invention;

7B eine idealisierte Version von 7A zeigt; 7B an idealized version of 7A shows;

die 8A und 8B bevorzugte alternative Versionen der in den 7A und 7B gezeigten Verfahren zeigen;the 8A and 8B preferred alternative versions of the in the 7A and 7B show the method shown;

9 eine schematische Teilansicht eines geschnittenen menschlichen Knochens ist; 9 is a schematic partial view of a cut human bone;

10 eine Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der Dicke eines Objekts und der Geschwindigkeit einer Ultraschallwelle längs seiner Oberfläche zeigt; 10 Fig. 11 is a graph showing the relationship between the thickness of an object and the velocity of an ultrasonic wave along its surface;

11 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der eine Anordnung aus piezoelektrischen Wandlern verwendet wird; 11 Fig. 12 is a schematic illustration of an alternative embodiment of the present invention utilizing an array of piezoelectric transducers;

12 eine schematische Darstellung der Anordnung von 11 ist, die die Verbindungen der Wandler zu Steuerungs- und Signalverarbeitungselementen veranschaulicht; 12 a schematic representation of the arrangement of 11 which illustrates the connections of the transducers to control and signal processing elements;

die 13A und 13B ein Verfahren zum Analysieren von Weichgewebe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; undthe 13A and 13B show a method for analyzing soft tissue according to a preferred embodiment of the present invention; and

14 ein Verfahren zur gleichzeitigen Knochengeschwindigkeitsbestimmung und Knochenbilddarstellung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 14 a method for simultaneous bone velocity determination and bone imaging according to a preferred embodiment of the present invention.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENPRECISE DESCRIPTION THE PREFERRED EMBODIMENTS

Das Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Bestimmung der Geschwindigkeit im Weichgewebe. 2 zeigt einen Knochen 18, der von Weichgewebe 22 umgeben ist. Um die Schallgeschwindigkeit des Knochens zu bestimmen, sendet ein Sender 40 ein Signal zu einem Empfänger 44 und eine Ausbreitungszeit Ttotal wird gemessen. Es gibt offensichtlich viele Wege, die das Signal vom Sender 40 zum Empfänger 44 nehmen kann, wovon einige vom Knochen 18 reflektiert werden und einige längs der Oberfläche des Knochens 18 verlaufen.The method for determining the speed of sound of bones according to a preferred embodiment of the present invention includes determining the velocity in the soft tissue. 2 shows a bone eighteen that of soft tissue 22 is surrounded. To determine the speed of sound of the bone, sends a transmitter 40 a signal to a receiver 44 and a propagation time T total is measured. There are obviously many ways that the signal from the transmitter 40 to the recipient 44 can take, some of which from the bone eighteen be reflected and some along the surface of the bone eighteen run.

Wenn ein Abstand D4044 zwischen Sender 40 und Empfänger 44 lang genug ist, umfasst der schnellste Weg, wie in 2 gezeigt ist, drei Segmente. Ein erstes Weichgewebewegsegment 60, ein Knochenoberflächenwegsegment 64 und ein zweites Weichgewebewegsegment 62. Der Winkel Br zwischen dem Segment 60 und einer Senkrechten zum Segment 64 (Knochen 18) ist der Brewster-Winkel, der definiert ist als: Br = arcsin(V22/V18) (5)wobei V22 die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle im Weichgewebe 22 ist und V18 die Geschwindigkeit einer longitudinalen Oberflächenwelle im Knochen 18 ist. Wenn D4044 so kurz ist, dass kein Brewster-Winkel gebildet werden kann, ist der schnellste Weg der Weg der einfachen Reflexion vom Knochen 18.If a distance D 4044 between transmitter 40 and receiver 44 long enough, includes the fastest way, as in 2 shown is three segments. A first soft tissue segment 60 , a bone surface segment 64 and a second soft tissue segment 62 , The angle B r between the segment 60 and a perpendicular to the segment 64 (Bone eighteen ) is the Brewster angle, which is defined as: B r = arcsin (v 22 / V eighteen ) (5) where V 22 is the velocity of the longitudinal wave in the soft tissue 22 and V is 18, the speed of a longitudinal surface acoustic wave in the bone eighteen is. If D 4044 is so short that no Brewster angle can be formed, the fastest way is the path of simple reflection from the bone eighteen ,

Die Schallgeschwindigkeit im Knochen 18 wird berechnet durch die Division einer Länge D64 des Knochensegments 64 durch eine Zeit T64, die das Signal für eine Ausbreitung über das Knochensegment 64 benötigt. Es ist jedoch weder D64 noch T64 bekannt. Bei einigen Verfahren des Standes der Technik werden V22, ein Abstand H40 zwischen dem Sender 40 und dem Knochen 18 und ein Abstand H44 zwischen dem Empfänger 44 und dem Knochen 18 geschätzt. Dadurch ergeben sich ein Abstand D60, der die Länge des Segments 60 ist, ein Abstand D62, der die Länge das Segments 62 ist, und ihre Ausbreitungszeiten T60 und T62 aus:The speed of sound in the bone eighteen is calculated by dividing a length D 64 of the bone segment 64 by a time T 64 , which is the signal for propagation across the bone segment 64 needed. However, neither D 64 nor T 64 is known. In some prior art methods, V 22 becomes a distance H 40 between the transmitter 40 and the bone eighteen and a distance H 44 between the receiver 44 and the bone eighteen estimated. This results in a distance D 60 , the length of the segment 60 is a distance D 62 , which is the length of the segment 62 and their propagation times T 60 and T 62 are :

Figure 00110001
Figure 00110001

Figure 00120001
Figure 00120001

D64 und T64 ergeben sich aus: D64 = D4044 – (H40tg(Br) + H44tg(Br)) (10) T64 – Ttotal – (T60 + T62) (11) D 64 and T 64 result from: D 64 = D 4044 - (H 40 tg (B r ) + H 44 tg (B r )) (10) T 64 - T total - (T. 60 + T 62 ) (11)

Somit ist V18:Thus V 18 is :

Figure 00120002
Figure 00120002

Eine Lösung der simultanen Gleichungen (5)–(12) ergibt V18.A solution of the simultaneous equations (5) - (12) yields V 18 .

Eine Schätzung von H40, H44 und V22 ist jedoch nicht sehr genau, insbesondere da V22 sich als eine Funktion des Abstands vom Knochen 18 ändert. Die Gewebe nahe am Knochen 18 sind typischerweise Muskeln und besitzen eine durchschnittliche Geschwindigkeit, die um 10% größer ist als die von Fett, das typischerweise näher zur Haut angeordnet ist.However, an estimate of H 40 , H 44 and V 22 is not very accurate, especially since V 22 is a function of distance from the bone eighteen changes. The tissues close to the bone eighteen are typically muscles and have an average speed that is 10% greater than that of fat, which is typically located closer to the skin.

3 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen von H40, H44 und V22 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Sender/Empfänger 42 ist kolinear zwischen dem Sender 40 und dem Empfänger 44 angeordnet, so dass der schnellste Weg zwischen Sender 40 und Empfänger 44 kein Wegsegment im Knochen 18 aufweist. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der schnellste Weg zwischen Sender 40 und Sender/Empfänger 42 ein erstes Weichgewebesegment 46 und ein zweites Weichgewebesegment 48. Ein Verfahren zum Anordnen des Sender/Empfängers 42 an einem derartigen Ort umfasst:

  • (a) Schätzen des Brewster-Winkels; und
  • (b) Anordnen des Sender/Empfängers 42 an einem Ort, an dem ein Reflexionswinkel Rf, der der Winkel zwischen dem Segment 46 und einer Senkrechten zum Knochen 18 ist, kleiner als der Brewster-Winkel ist. Es ist in der Technik bekannt, dass dort, wo der Einfallswinkel kleiner als der Brewster-Winkel oder gleich diesem ist, der schnellste Weg nicht durch den Knochen 18 verläuft, sondern lediglich von ihm reflektiert wird.
3 FIG. 10 shows a method for determining H 40 , H 44 and V 22 according to a preferred embodiment tion form of the invention. A transmitter / receiver 42 is colinear between the transmitter 40 and the receiver 44 arranged so that the fastest way between stations 40 and receiver 44 no path segment in the bone eighteen having. As in 3 is the fastest way between stations 40 and transceiver 42 a first soft tissue segment 46 and a second soft tissue segment 48 , A method for arranging the transceiver 42 in such a place includes:
  • (a) estimating the Brewster angle; and
  • (b) Arrange the transceiver 42 in a place where a reflection angle R f , which is the angle between the segment 46 and a perpendicular to the bone eighteen is less than the Brewster angle. It is known in the art that where the angle of incidence is less than or equal to the Brewster angle, the fastest path is not through the bone eighteen runs, but is only reflected by him.

Zuerst wird V22 gemessen. Ein Signal wird vom Sender 40 zum Sender/Empfänger 42 gesendet und seine Ausbreitungszeit T46 + T48 wird gemessen. Ein zweites Signal wird vom Sender/Empfänger 42 zum Knochen 18 gesendet und längs eines Wegsegments 50 zurück reflektiert. Ein gleichschenkliges Dreieck wird gebildet aus:First, V 22 is measured. A signal is sent from the transmitter 40 to the transmitter / receiver 42 and its propagation time T 46 + T 48 is measured. A second signal is from the transmitter / receiver 42 to the bone eighteen sent and along a path segment 50 reflected back. An isosceles triangle is formed from:

  • (a) der Linie, die den Sender 40 und den Sender/Empfänger 42 verbindet und eine Länge D4042 besitzt;(a) the line that the transmitter 40 and the transceiver 42 connects and has a length D 4042 ;
  • (b) dem Segment 46, das eine Länge D46 besitzt; und(b) the segment 46 having a length D 46 ; and
  • (c) dem Segment 48, das eine Länge D48 besitzt.(c) the segment 48 which has a length D 48 .

Unter der Annahme, dass die Dicke des Gewebes 22 in dem kleinen Bereich zwischen Sender 40 und Sender/Empfänger 42 konstant ist, besitzt das Segment 50 eine Länge D50, die gleich der Höhe des gleichschenkligen Dreiecks ist.Assuming that the thickness of the fabric 22 in the small area between transmitters 40 and transceiver 42 constant, owns the segment 50 a length D 50 equal to the height of the isosceles triangle.

Wird angenommen, dass der durchschnittliche Wert von V22 längs der Segmente 46, 48 und 50 gleich ist, ergeben sich D46, D48 und D50 zu: D46 = V22·T46 (13) D48 = V22·T48 (14) D50 = V22·T50/2 (15) It is assumed that the average value of V 22 along the segments 46 . 48 and 50 is the same, D 46 , D 48 and D 50 become: D 46 = V 22 * T 46 (13) D 48 = V 22 * T 48 (14) D 50 = V 22 * T 50 / 2 (15)

Durch Anwenden einer bekannten Beziehung zwischen den Seiten und der Höhe eines gleichschenkligen Dreiecks ergibt sich:By Apply a known relationship between the pages and the height of a page isosceles triangle results:

Figure 00130001
Figure 00130001

Durch Lösen der Gleichung 16 unter Verwendung der Gleichungen 14 und 15 und unter Verwendung der Gleichheit zwischen T48 und T46 ergibt sich:By solving equation 16 using equations 14 and 15 and using equality between T 48 and T 46, we obtain:

Figure 00130002
Figure 00130002

Da jedoch T50, T48 und D4042 bekannt sind, ergibt sich:However, since T 50 , T 48 and D 4042 are known, it follows:

Figure 00130003
Figure 00130003

Es sollte angemerkt werden, dass der oben berechnete Wert V22 ein Durchschnittswert längs des tatsächlichen Weges des Signals ist, d. h. er enthält die gewichteten Werte sowohl der Geschwindigkeit im Fettgewebe als auch der Geschwindigkeit im Muskelgewebe.It should be noted that the value V 22 calculated above is an average value along the actual path of the signal, ie it contains the weighted values of both the velocity in adipose tissue and the velocity in muscle tissue.

Es wird angenommen, dass H44 gleich H40 (das gleich D50 ist) ist. Dadurch gilt: H44 = H40 = V22·T50 (19) It is assumed that H 44 is equal to H 40 (which is equal to D 50 ). Thereby: H 44 = H 40 = V 22 * T 50 (19)

Wenn eine größere Genauigkeit gefordert wird oder um Störungen zu verringern, wird V22 ein zweites Mal berechnet unter Verwendung der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender/Empfänger 42 und dem Empfänger 44 an Stelle der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender 40 und dem Sender/Empfänger 42. Der Abstand zwischen dem Sender/Empfänger 42 und dem Empfänger 44 ist natürlich ebenfalls derart, dass der Reflexionswinkel kleiner als der Brewster-Winkel oder gleich diesem ist. V22 wird unter Verwendung des Durchschnittswertes der ersten und der zweiten Berechung berechnet.If greater precision is required or to reduce interference, V 22 is a second time calculated using the signal propagation time between the transmitter / receiver 42 and the receiver 44 in place of the signal propagation time between the transmitter 40 and the transceiver 42 , The distance between the transmitter / receiver 42 and the receiver 44 is of course also such that the reflection angle is less than or equal to the Brewster angle. V 22 is calculated using the average of the first and second calculations.

Alternativ zu dem oben beschriebenen Verfahren zum Messen von V22, H40 und H44 können andere Verfahren verwendet werden. H40 und H44 können z. B. auf einem Röntgenbild oder einer anderen medizinischen Darstellung gemessen werden. V22 wird dann anhand der Signalausbreitungszeit der Reflexion vom Knochen 18 gemessen.Alternatively to the method described above for measuring V 22 , H 40 and H 44 , other methods may be used. H 40 and H 44 can, for. B. be measured on an X-ray or other medical presentation. V 22 is then based on the signal propagation time of the reflection from the bone eighteen measured.

Die 4A und 4B zeigen einen Messsensor der Schallgeschwindigkeit des Knochens gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Sender 70, ein Sender/Empfänger 72 und ein Empfänger 74 werden kolinear auf Weichgewebe 22 angeordnet, das den Knochen 18 umgibt. Wie oben beschrieben wurde, ist der Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Sender/Empfänger 72 derart, dass ein Signal, das sich vom Sender 70 zum Sender/Empfänger 72 fortbewegt, nicht durch den Knochen 18 verläuft. Vorzugsweise verläuft außerdem der schnellste Weg vom Sender/Empfänger 72 zum Empfänger 74 nicht durch den Knochen 18.The 4A and 4B show a measuring sensor of the speed of sound of the bone according to another preferred embodiment of the present invention. A transmitter 70 , a transmitter / receiver 72 and a receiver 74 become colinear on soft tissue 22 arranged that the bone eighteen surrounds. As described above, the distance is between the transmitter 70 and the transceiver 72 such that a signal coming from the transmitter 70 to the transmitter / receiver 72 moved, not through the bone eighteen runs. Preferably also the fastest way is from the transmitter / receiver 72 to the recipient 74 not through the bone eighteen ,

V22 und die Dicke des Weichgewebes 22 in dem Bereich nahe am Sender/Empfänger 72 werden dann in der oben beschriebenen Weise bestimmt. Die Schallgeschwindigkeit im Knochen 18 wird dann unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Senden eines Signals vom Sender 70 zum Empfänger 74 bestimmt. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Sender/Empfänger 72 derart, dass ein Signal, das sich zwischen ihnen fortbewegt, unter einem Winkel Rf1 reflektiert wird, der etwa gleich dem Brewster-Winkel ist, wie in 4B gezeigt ist. Dadurch wird V22 längs des gleichen Weges gemessen wie der Weg des Signals zum Messen der Knochengeschwindigkeit. Da der Brewster-Winkel in menschlichem Fleisch zwischen 20° und 28° liegt, ist ein Winkel von 24° eine gute Schätzung, was zur Folge hat, dass die Wege nahezu überlappen.V 22 and the thickness of the soft tissue 22 in the area close to the transmitter / receiver 72 are then determined in the manner described above. The speed of sound in the bone eighteen is then used to transmit a signal from the transmitter using the method described above 70 to the recipient 74 certainly. Preferably, the distance between the transmitter 70 and the transceiver 72 such that a signal traveling between them is reflected at an angle R f1 approximately equal to the Brewster angle, as in FIG 4B is shown. This measures V22 along the same path as the signal path for measuring bone velocity. Since the Brewster angle in human flesh is between 20 ° and 28 °, an angle of 24 ° is a good estimate, with the result that the paths almost overlap.

Der Sender/Empfänger 72 befindet sich vorzugsweise in der Mitte zwischen Sender 70 und Empfänger 74. Wenn die Linie, der den Sender 70 und den Empfänger 74 verbindet, nicht genau parallel zum Knochen 18 verläuft, dient deswegen die Tatsache, dass die Dicke des Weichgewebes zwischen ihnen gemessen wird, dazu, dass sich eine enge Annäherung an die durchschnittlichen Geschwindigkeiten ergibt.The transmitter / receiver 72 is preferably in the middle between transmitters 70 and receiver 74 , If the line, the transmitter 70 and the receiver 74 does not connect exactly parallel to the bone eighteen Because of this, the fact that the thickness of the soft tissue is measured between them serves to give a close approximation to the average speeds.

Der minimal erforderliche Abstand der Wellenausbreitung in dem Knochen bei Verwendung dieses Verfahrens beträgt etwa 2–3 Millimeter. Der Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Empfänger 74 hängt von der Dicke des Weichgewebes ab. Bei Verwendung dieses Verfahrens ist eine hochauflösende Abbildung von verhältnismäßig ungleichmäßigen Knochen möglich. Derartige Knochen enthalten z. B. Wirbelknochen, die kleinen Knochen im Handgelenk und Knochenabschnitte nahe an Gelenken. Es ist außerdem möglich, die Knochengeschwindigkeit sowohl in der longitudinalen Richtung als auch in der transversalen Richtung zu messen, da die Länge des gemessenen Knochensegments sehr gering sein kann.The minimum required wave propagation distance in the bone using this method is about 2-3 millimeters. The distance between the transmitter 70 and the receiver 74 depends on the thickness of the soft tissue. Using this method, a high resolution imaging of relatively uneven bones is possible. Such bones contain z. As vertebral bone, the small bones in the wrist and bone sections close to joints. It is also possible to measure the bone velocity both in the longitudinal direction and in the transverse direction, since the length of the measured bone segment can be very small.

Eine bevorzugte Betriebsfrequenz liegt zwischen 250 und 1500 kHz. Es sollte angemerkt werden, dass höhere Frequenzen als die im Stand der Technik verwendeten Frequenzen trotz der stärkeren Dämpfung von hochfrequenten Schallwellen im Knochen verwendet werden können, da die Strecken, die sich die Signale im Knochen fortbewegen, kurz sind. Höhere Frequenzen ergeben im Allgemeinen genauere Ergebnisse als niedrigere Frequenzen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Betriebsfrequenz vorzugsweise über 2 MHz, wobei ein Wert über 5 MHz stärker bevorzugt ist und in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die bevorzugte Betriebsfrequenz größer als 10 MHz ist. Die Welle ist vorzugsweise impulsförmig bei einer Dauer zwischen 2 und 250 Millisekunden.A preferred operating frequency is between 250 and 1500 kHz. It It should be noted that higher Frequencies as the frequencies used in the prior art despite the stronger one Damping of High-frequency sound waves in the bone can be used there the stretches that move the signals in the bone, short are. higher Frequencies generally give more accurate results than lower ones Frequencies. In some preferred embodiments of the present invention Invention, the operating frequency is preferably above 2 MHz, where a value is over 5 MHz stronger is preferred and in some preferred embodiments of the present Invention, the preferred operating frequency is greater than 10 MHz. The wave is preferably pulsed for a duration between 2 and 250 milliseconds.

Die verwendete Wellenform ist vorzugsweise eine impulsförmige Welle mit einer einzigen Frequenz, da der einzige Aspekt der analysierten Welle der Zeitpunkt des ersten Empfangs eines Signals ist. Alternativ werden andere komplexere Wellenformen verwendet und die empfangenen Signale werden analysiert.The used waveform is preferably a pulse-shaped wave with a single frequency, as the only aspect of the analyzed Wave is the time of the first reception of a signal. Alternatively other more complex waveforms are used and the received signals will be analyzed.

Der Sender 70 und der Sender/Empfänger 72 sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie ihre Signale vorrangig unter einem Winkel aussenden, der der geschätzte Brewster-Winkel ist, wie in der Technik bekannt ist. Außerdem sind der Empfänger 74 und der Sender/Empfänger 72 vorzugsweise so beschaffen, dass sie eine hohe Empfangsverstärkung bei dem geschätzten Brewster-Winkel besitzen.The transmitter 70 and the transceiver 72 are preferably aligned so that they emit their signals primarily at an angle that is the estimated Brewster angle, as is known in the art. Besides, the receiver 74 and the transceiver 72 preferably, such that they have a high reception gain at the estimated Brewster angle.

Wenn der Sender 70 und der Sender/Empfänger 72 bei dem Brewster-Winkel ausgerichtet sind, ist die Sensorfläche typischerweise konkav und nicht eben. Dieser konkaver Raum ist vorzugsweise mit einem gleichförmigen Werkstoff gefüllt, der eine bekannte Schallgeschwindigkeit besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Schallgeschwindigkeit des Füllwerkstoffs nahe an der des Weichgewebes, so dass der Einfluss des Füllwerkstoffs auf die hier beschriebenen Berechnungen ignoriert werden kann. Alternativ kann der Einfluss der Lage aus Füllwerkstoff auf die Berechnungen der Schallgeschwindigkeit geschätzt werden und entweder während der Kalibrierung oder bei einer mehrlagigen Struktur als Einfluss der oberen Lage wie oben beschrieben wurde, berücksichtigt werden.If the transmitter 70 and the transceiver 72 aligned at the Brewster angle, the sensor surface is typically concave and not flat. This concave space is preferably filled with a uniform material having a known speed of sound. In a preferred off According to the invention, the speed of sound of the filling material is close to that of the soft tissue, so that the influence of the filling material on the calculations described here can be ignored. Alternatively, the influence of the layer of filler on sonic velocity calculations may be estimated and taken into account either during calibration or in a multi-layered structure as the upper layer influence as described above.

Es sollte erkannt werden, dass die zwei Schritte des oben beschriebenen Prozesses in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig ausgeführt werden können. Für jedes Signal werden vorzugsweise unterschiedliche Frequenzen verwendet. Es sollte erkannt werden, dass der verwendete Ultraschallsender und der verwendete Ultraschallempfänger typischerweise eine sehr große Bandbreite besitzen. Dadurch werden mehrere Wellenlängen ausgesendet und jeder Empfänger verarbeitet seine ankommenden Signale, um spezielle Frequenzen auszufiltern und zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich werden die Impulse zeitlich gesteuert, so dass an einem einzelnen Empfänger nie zwei Impulse gemeinsam ankommen.It should be recognized that the two steps of the above Process in any order or run concurrently can. For each Signal preferably different frequencies are used. It should be recognized that the ultrasonic transmitter used and the ultrasonic receiver used is typically a very size Own bandwidth. As a result, several wavelengths are emitted and every receiver processes its incoming signals to filter out specific frequencies and capture. Alternatively or additionally, the pulses are timed controlled so that at a single receiver never has two pulses in common Arrive.

Der Sender 70, der Sender/Empfänger 72 und der Empfänger 74 werden vorzugsweise durch eine Steuereinheit 100 gesteuert. Die Auslösung der oben beschriebenen Signale, die Messung von Zeiten, die Signalverarbeitung und die Geschwindigkeitsberechnung werden deswegen von der Steuereinheit 100 ausgeführt.The transmitter 70 , the transmitter / receiver 72 and the receiver 74 are preferably by a control unit 100 controlled. The triggering of the signals described above, the measurement of times, the signal processing and the speed calculation are therefore performed by the control unit 100 executed.

Ein Drei-Element-Sensor, wie etwa der unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschriebene Sensor, ist vorzugsweise so konstruiert, dass er kürzer als 100 Millimeter ist, wobei ein kürzerer Wert als 50 Millimeter stärker bevorzugt ist und der Sensor in einigen bevorzugten Ausführungsformen kürzer als 3 Millimeter ist. In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform hat der Sensor eine Länge von 32 Millimetern. Der maximale Abstand, der zwischen einem derartigen Sensor und einem Knochen zulässig ist, beträgt etwa 2 Zentimeter. Wegen der sehr hohen Genauigkeitsanforderungen an einen derartigen Sensor ist er vorzugsweise aus einem Werkstoff konstruiert, der sich im Temperaturbereich von 15 bis 40°C im Wesentlichen nicht ausdehnt oder zusammenzieht. Derartige Werkstoffe umfassen typischerweise eine Mischung aus einem Werkstoff, der sich bei Erwärmung von 15 auf 40°C ausdehnt, und einem Werkstoff, der sich bei Erwärmung von 15 auf 40°C zusammenzieht.A three-element sensor, such as that with reference to FIGS 4A and 4B The sensor described above is preferably designed to be shorter than 100 millimeters, with a shorter value than 50 millimeters more preferred, and in some preferred embodiments the sensor is shorter than 3 millimeters. In a particular preferred embodiment, the sensor has a length of 32 millimeters. The maximum distance allowed between such a sensor and a bone is about 2 centimeters. Because of the very high accuracy requirements of such a sensor, it is preferably constructed of a material that does not substantially expand or contract in the temperature range of 15 to 40 ° C. Such materials typically include a mixture of a material that expands when heated from 15 to 40 ° C and a material that contracts when heated from 15 to 40 ° C.

Es sollte erkannt werden, dass der Abstand zwischen den Ultraschallelementen für eine bestimmte erwartete Tiefe des Weichgewebes optimiert werden kann. Deswegen umfasst ein typisches Betriebssystem mehrere Sensoren, die jeweils für einen unterschiedlichen Bereich der Tiefe geeignet sind. Alternativ wird ein einzelner Sensor des Gittertyps, der nachfolgend beschrieben wird, verwendet.It should be recognized that the distance between the ultrasonic elements for one certain expected depth of soft tissue can be optimized. Because of this, a typical operating system includes multiple sensors, each for a different range of depth are suitable. alternative becomes a single sensor of the lattice type described below is used.

Der Sensor ist typischerweise nicht in der Weise konstruiert, dass er einen exakten Abstand zwischen den Ultraschallelementen besitzt. Der Sensor ist statt dessen mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Millimeter konstruiert und die exakten Abstände zwischen den Elementen werden unter Verwendung eines Hilfskörpers gemessen. Die Messergebnisse, die eine typische Genauigkeit von über 2 μm besitzen, werden in der Steuereinheit 100 für eine Geschwindigkeitsbestimmung, die später genauer beschrieben wird, gespeichert. Ein derartiger Hilfskörper umfasst einen Kunststoffzylinder, der einen in den Kunststoff eingebetteten zylindrischen Metallkern mit Stufen besitzt, die längs seiner Achse ausgebildet sind. Jede Stufe entspricht einer bekannten Tiefe des über dem Metallkern liegenden Kunststoffs.The sensor is typically not designed to have an exact spacing between the ultrasonic elements. The sensor is instead constructed with an accuracy of about 0.1 millimeter and the exact distances between the elements are measured using an auxiliary body. The measurement results, which have a typical accuracy of over 2 μm, are stored in the control unit 100 for a speed determination, which will be described later in more detail. Such an auxiliary body comprises a plastic cylinder having an embedded in the plastic cylindrical metal core with steps which are formed along its axis. Each step corresponds to a known depth of plastic overlying the metal core.

Die Schallgeschwindigkeit von Knochen ist typischerweise in unterschiedlichen Abschnitten des Knochens verschieden. Um zwei Ergebnisse der Schallgeschwindigkeit von Knochen aus zwei unterschiedlichen Messvorgängen in geeigneter Weise miteinander zu vergleichen, müssen deswegen die Messungen am gleichen Abschnitt des Knochens ausgeführt werden. Die Lagegenauigkeit längs der longitudinalen Achse des Knochens sollte im Einzelnen bei langen Knochen, wie etwa das Schienenbein, in der Größenordnung von 5 Millimetern liegen. Diese Genauigkeit kann bei Verwendung von normalen Positionierungsverfahren einfach erreicht werden, wie etwa die Markierung des Orts mit einem dauerhaften Markierungspunkt. Die Positionierungsverfahren in der Querrichtung muss jedoch in der Größenordnung von 100 Mikrometern liegen. Da diese Genauigkeit schwer zu erreichen ist, wird der Sensor vorzugsweise auf einer Kippeinrichtung angebracht, so dass der Sender 70, der Sender/Empfänger 72 und der Empfänger 74 sich längs einer Achse der Kippeinrichtung befinden, die parallel zu der Längsachse des Knochens 18 verläuft. Wenn die Schallgeschwindigkeit des Knochens gemessen wird, wird die Kippeinrichtung in einer Querrichtung gekippt und es werden mehrere Schallgeschwindigkeiten des Knochens gemessen. Der maximale oder der minimale bestimmte Wert wird als Referenzwert für den Vergleich mit Messungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens während anderer Messvorgänge verwendet. Außerdem oder zusätzlich wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 von verschiedenen Seiten des Knochens 18 gemessen, da der Kortex des Knochens 18 typischerweise mehrere unterschiedliche Abschnitte aufweist, wovon jeder eine unterschiedliche Härte und Schallgeschwindigkeit besitzt.The speed of sound of bones is typically different in different sections of the bone. Therefore, in order to conveniently compare two results of the speed of sound of bones from two different measurements, the measurements must be made on the same portion of the bone. The positional accuracy along the longitudinal axis of the bone should be in the order of 5 millimeters in detail for long bones, such as the tibia. This accuracy can be easily achieved using normal positioning methods, such as marking the location with a permanent marker point. However, the transverse positioning method must be on the order of 100 microns. Since this accuracy is difficult to achieve, the sensor is preferably mounted on a tilting device, so that the transmitter 70 , the transmitter / receiver 72 and the receiver 74 are along an axis of the tilting device, which are parallel to the longitudinal axis of the bone eighteen runs. When the sound velocity of the bone is measured, the tilting means is tilted in a transverse direction and a plurality of sound velocities of the bone are measured. The maximum or minimum determined value is used as the reference value for comparison with bone velocity measurements during other measurements. In addition or in addition, the speed of sound of the bone eighteen from different sides of the bone eighteen measured as the cortex of the bone eighteen typically several has different sections, each of which has a different hardness and speed of sound.

Es sollte erkannt werden, dass bei einigen Knochen, wie etwa der Wirbelknochen, das Messen der weicheren Abschnitte einfacher ist als das Messen der härteren Abschnitte und somit die Suche nach der minimalen Geschwindigkeit. Die minimale bestimmte Geschwindigkeit liegt typischerweise in dem weichsten Abschnitt. Eine minimale bestimmte Geschwindigkeit, die zu einem späteren Zeitpunkt gefunden wird, liegt ebenfalls in dem weichsten Abschnitt, deswegen wird die Geschwindigkeitsmessung an dem gleichen transversalen Ort (gleicher Abschnitt) wiederholt.It it should be recognized that in some bones, such as the vertebral bone, Measuring the softer sections is easier than measuring the harder one Sections and thus the search for the minimum speed. The minimum certain speed is typically in the softest section. A minimum certain speed that for a later Is found in the softest section, therefore, the speed measurement becomes at the same transverse location (same section) repeated.

Außerdem und zusätzlich werden die erfassten Geschwindigkeitsmessungen verwendet, um ein transversales Geschwindigkeitsprofil des Knochens 18 zu bilden, das für eine Analyse der Knochenstruktur nützlich ist.Additionally and additionally, the acquired velocity measurements are used to obtain a transverse velocity profile of the bone eighteen which is useful for analysis of bone structure.

4C zeigt die oben unter Bezugnahme auf 4A beschriebene Ausführungsform in einer Weise, die die folgende mathematische Erläuterung erleichtert. Der Zweck dieser Erläuterung besteht darin, die Mathematik einer Schallgeschwindigkeitsbestimmung genauer zu analysieren. 4C zeigt zwei Möglichkeiten, eine Möglichkeit, bei der die Linie, die die Ultraschallelemente 70, 72 und 74 verbindet, parallel zum Knochen 18 verläuft, und eine zweite Möglichkeit, bei der die Linie, die die Ultraschallelemente 70, 72 und 74 verbindet, nicht parallel zum Knochen 18 verläuft. Bei jedem dieser Fälle ist die mathematische Ableitung der Schallgeschwindigkeit des Knochens unterschiedlich. 4C shows the above with reference to 4A described embodiment in a manner that facilitates the following mathematical explanation. The purpose of this discussion is to more accurately analyze the mathematics of sound velocity determination. 4C shows two ways, one way in which the line containing the ultrasound elements 70 . 72 and 74 connects, parallel to the bone eighteen runs, and a second way in which the line containing the ultrasound elements 70 . 72 and 74 connects, not parallel to the bone eighteen runs. In each of these cases, the mathematical derivation of the speed of sound of the bone is different.

Die 4D und 4E zeigen die Zeiten, die in dem oben beschriebenen Verfahren tatsächlich gemessen werden. Die folgenden Gleichungen verknüpfen diese Zeiten mit 4C:The 4D and 4E show the times actually measured in the method described above. The following equations associate these times 4C :

Figure 00190001
Figure 00190001

Außerdem ist γ der Brewster-Winkel. In den folgenden Gleichungen ist "a" der Abstand zwischen den Punkten A und B (AB), b = BC und c = CD. Außerdem bezeichnet der Buchstabe A, wenn er sich nicht auf den Punkt A bezieht, die Summe von a + b + c, d. h. den kürzesten Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Empfänger 74.In addition, γ is the Brewster angle. In the following equations, "a" is the distance between points A and B (AB), b = BC, and c = CD. In addition, the letter A, if it does not refer to the point A, the sum of a + b + c, ie the shortest distance between the transmitter 70 and the receiver 74 ,

In einem ersten, einfachsten Fall, der in praktischen Situationen selten auftritt, ist die Linie, die die Ultraschallelemente 70, 72 und 74 verbindet, parallel zum Knochen 18. Deswegen gilt: h1 = h2 = h3 = h4 (24) sinα = 0 (25) τ1 = τ3 (26) In a first, simplest case, which rarely occurs in practical situations, the line is the ultrasound elements 70 . 72 and 74 connects, parallel to the bone eighteen , That's why: H 1 = h 2 = h 3 = h 4 (24) sinα = 0 (25) τ 1 = τ 3 (26)

Die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes V22 oder Vt wird bestimmt als:

Figure 00200001
wobei die Schallgeschwindigkeit des Knochens V18 oder Vb durch die folgende Gleichung bestimmt wird:The speed of sound of soft tissue V 22 or V t is determined as:
Figure 00200001
wherein the speed of sound of the bone V 18 or V b is determined by the following equation:

Figure 00200002
Figure 00200002

Die Lösung ergibt:The solution results:

Figure 00200003
Figure 00200003

Es sollte angemerkt werden, dass zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen nicht nur h1 = h2 = h3 = h4 gilt, sondern außerdem τ1 = τ3. Infolge von Änderungen der Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe, die sich aus Ungleichförmigkeiten des Weichgewebes ergeben, ist das bei In-vivo-Messungen selten der Fall. Eine der oben erwähnten zwei Bedingungen kann jedoch gewöhnlich eingehalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor in einer Kippeinrichtung eingebettet. Eine derartige Kippeinrichtung ist in dem oben erwähnten US-Patent 5.143.072 beschrieben. Die Kippeinrichtung wird längs einer Achse, die den Sender 70 mit dem Sender/Empfänger 72 und dem Empfänger 74 verbindet, gekippt und es werden mehrere Messungen der Geschwindigkeit des Weichgewebes und der Dicke des Weichgewebes ausgeführt. Messungen der Knochengeschwindigkeit werden dann ausgeführt, wenn entweder h1 = h2 = h3 = h4 oder wenn τ1 = τ3.It should be noted that not only h 1 = h 2 = h 3 = h 4 applies to the determination of the speed of sound of the bone using the equations described above, but also τ 1 = τ 3 . As a result of soft tissue velocity changes resulting from soft tissue nonuniformities, this is rarely the case with in vivo measurements. However, one of the above two conditions can usually be met. In a preferred embodiment of the invention, the sensor is embedded in a tilting device. Such a tilting device is described in the above-mentioned U.S. Patent 5,143,072. The tilting device is along an axis that the transmitter 70 with the transmitter / receiver 72 and the receiver 74 connects, tips and several measurements of speed of a soft tissue and thickness of a soft tissue are carried out. Bone velocity measurements are then performed if either h 1 = h 2 = h 3 = h 4 or if τ 1 = τ 3 .

Ein Spezialfall ist die Messung der Schallgeschwindigkeit des Oberschenkelknochens. Die Oberflächengeometrie des Oberschenkelknochens ist in seinen Abschnitten im Wesentlichen nicht eben. Außerdem ist die Dicke des über dem Oberschenkelknochen liegenden Weichgewebes groß und liegt in der Größenordnung von 6 cm. Die Messungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens werden vorzugsweise ausgeführt, wenn der Sender 70 und der Empfänger 74 sich in gleichem Abstand vom Oberschenkelknochen befinden, um fehlerhafte Reflexionen zu minimieren.A special case is the measurement of the speed of sound of the thighbone. The surface geometry of the femur is essentially not planar in its sections. In addition, the thickness of the soft tissue above the femur is large and on the order of 6 cm. The measurements of the speed of sound of the bone are preferably carried out when the transmitter 70 and the receiver 74 are equidistant from the femur to minimize erroneous reflections.

Wenn die Verbindungslinie der Ultraschallelemente 70, 72 und 74 nicht parallel zum Knochen 18 verläuft, müssen gewöhnlich die folgenden komplexeren Gleichungen gelöst werden, um die Schallgeschwindigkeit des Knochens zu bestimmen. Bei den folgenden Gleichungen wird angenommen, dass die Konfiguration ähnlich zu der in 4C gezeigten Konfiguration ist (nicht parallele Konfiguration). Wenn die Konfiguration ein Spiegelbild zu der in 4C gezeigten Konfiguration ist, sollte h2 am Punkt C gemessen werden und die Gleichungen sollten dementsprechend modifiziert werden.If the connecting line of the ultrasonic elements 70 . 72 and 74 not parallel to the bone eighteen Usually, the following more complex equations must be solved to determine the speed of sound of the bone. The following equations assume that the configuration is similar to that in 4C configuration shown is (non-parallel configuration). If the configuration is a mirror image to that in 4C In the configuration shown, h 2 should be measured at point C and the equations should be modified accordingly.

Die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes V22 oder Vt wird unter Verwendung der folgenden Gleichungen bestimmt:The velocity of sound of soft tissue V 22 or V t is determined using the following equations:

Figure 00210001
Figure 00210001

Die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird unter Verwendung einer Gleichung, die Gleichung (28) ähnlich ist, bestimmt: p1VB 4 + p2VB 3 + p3VB 2 + p4VB + p5 = 0 (31)wobei:

Figure 00210002
p2 = –2τ0Acosα (33)
Figure 00210003
p4 = 2τ0AVt 2cosα (35) p5 = – Vt 2 × [A2cos2α + (Vtτ2 + (b + c – a) × sinα)2] (36) The speed of sound of the bone is determined using an equation similar to equation (28): p 1 V B 4 + p 2 V B 3 + p 3 V B 2 + p 4 V B + p 5 = 0 (31) in which:
Figure 00210002
p 2 = -2τ 0 Acos (33)
Figure 00210003
p 4 = 2τ 0 AV t 2 cos (35) p 5 = - V t 2 × [A 2 cos 2 α + (V t τ 2 + (b + c - a) × sinα) 2 ] (36)

Figure 00220001
Figure 00220001

Die exakte Länge der unterschiedlichen Wegsegmente im Knochen 18 und im Weichgewebe 22 kann unter Verwendung der geometrischen Beziehungen, die in 4C gezeigt sind, und der oben bestimmten Geschwindigkeit von Weichgewebe und Knochen bestimmt werden. Der Weg der Welle vom Sender 70 zum Empfänger 74 beträgt im Einzelnen:The exact length of the different path segments in the bone eighteen and in soft tissue 22 can be done using the geometric relationships that exist in 4C and the speed of soft tissue and bone as determined above. The path of the wave from the transmitter 70 to the recipient 74 in detail:

Figure 00220002
Figure 00220002

Die 5A und 5B zeigen eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Messen der Ausbreitungszeit eines Signals, das von einem Sender 80 ausgesendet wird, bis es erstmals von einem Empfänger 86 empfangen wird, gemessen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch von der Ausführungsform der 4A und 4B dahingehend, dass an Stelle des einzelnen Sender/Empfängers 72 ein Paar von Sender/Empfängern 82 und 84 verwendet wird. Erstens werden die Dicke des Gewebes 22 und die Schallgeschwindigkeit im Gewebe 22 an mehr als einer Stelle gemessen. Dadurch werden Körperbereiche, die unebene Oberflächen oder veränderliche Schallgeschwindigkeiten des Weichgewebes aufweisen, erkannt. Die Bedienperson wird vorzugsweise benachrichtigt und unternimmt eine geeignete Maßnahme, wie etwa die Änderung der Messstelle. Alternativ werden die Berechnungen der Schallgeschwindigkeit wegen dieser Unterschiede korrigiert.The 5A and 5B show an additional embodiment of the present invention. The speed of sound of the bone is measured using the method described above for measuring the propagation time of a signal transmitted by a transmitter 80 is sent out until it is first received by a recipient 86 is received, measured. However, this embodiment differs from the embodiment of FIG 4A and 4B to the effect that instead of the individual transceiver 72 a pair of transceivers 82 and 84 is used. First, the thickness of the fabric 22 and the speed of sound in the tissue 22 Measured in more than one place. As a result, areas of the body which have uneven surfaces or variable speeds of sound of the soft tissue are recognized. The operator is preferably notified and takes appropriate action, such as changing the measuring point. Alternatively, the speed of sound calculations are corrected because of these differences.

Zweitens kann der Sender/Empfänger 82 unabhängig vom Sender/Empfänger 84 angeordnet sein. In den Ausführungsformen der 4A und 4B wurde eine bevorzugte Situation beschrieben, bei der der Weg der Signale, die für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes verwendet werden, mit dem Weg zusammenfällt, der für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Sender/Empfänger 82 relativ zu dem Sender 80 positioniert werden, so dass diese bevorzugte Situation eintritt (in Bezug auf 5B in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren). Der Sender/Empfänger 84 wird in ähnlicher Weise relativ zum Empfänger 86 positioniert. Es sollte angemerkt werden, dass der Abstand zwischen dem Sender 80 und dem Empfänger 86 die Messung nicht wesentlich nachteilig beeinflusst.Second, the transmitter / receiver 82 independent of the transmitter / receiver 84 be arranged. In the embodiments of the 4A and 4B For example, a preferred situation has been described in which the path of the signals used to determine the speed of sound of the soft tissue coincides with the path used to determine the speed of sound of the bone. In the present embodiment, the transmitter / receiver 82 relative to the transmitter 80 be positioned so that this preferred situation occurs (in terms of 5B in the method described below). The transmitter / receiver 84 becomes similarly relative to the receiver 86 positioned. It should be noted that the distance between the transmitter 80 and the receiver 86 the measurement is not significantly adversely affected.

Die 5A und 5B beschreiben einen aus zwei Schritten bestehenden Prozess, bei dem in dem ersten Schritt einige Messungen erfolgen und in dem zweiten Schritt ebenfalls einige Messungen erfolgen. Die Reihenfolge dieser Schritte spielt jedoch keine Rolle und die beiden Schritte werden vorzugsweise unter Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen oder Wellenformen gleichzeitig ausgeführt. Wenn ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren verwendet wird, wird die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens vorzugsweise in beiden Schritten ausgeführt.The 5A and 5B describe a two-step process in which some measurements are made in the first step and some measurements are made in the second step. However, the order of these steps does not matter and the two steps are preferably performed under Ver use of different frequencies or waveforms simultaneously. If a two-step method is used, the determination of the speed of sound of the bone is preferably performed in both steps.

Das Ausführen von lediglich einem dieser beiden Schritte ist jedoch ausreichend für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens. Die Entscheidung, welcher Schritt ausgeführt wird, erfolgt vorzugsweise anhand der Konfiguration von Sender/Empfänger 82, Sender/Empfänger 84, Sender 80, Empfänger 96 und Knochen 18, die die relativen Orte der Messung der Weichgewebegeschwindigkeit und der Messung der Knochengeschwindigkeit beeinflusst.However, performing only one of these two steps is sufficient for determining the speed of sound of the bone. The decision as to which step is performed is preferably based on the configuration of transmitter / receiver 82 , Transmitter-receiver 84 , Transmitter 80 , Receiver 96 and bones eighteen which influences the relative locations of soft tissue velocity measurement and bone velocity measurement.

In dem Schritt, der in 5A beschrieben ist, wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens gemessen, indem die Ausbreitungszeit eines Signals zwischen dem Sender 80 und dem Empfänger 86 gemessen wird. Außerdem werden die folgenden Messungen, die für die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit nützlich sind, ausgeführt:

  • (a) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 82;
  • (b) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 84; und
  • (c) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender/Empfänger 82 zum Sender/Empfänger 84.
In the step in 5A is described, the speed of sound of the bone is measured by the propagation time of a signal between the transmitter 80 and the receiver 86 is measured. In addition, the following measurements useful for soft tissue velocity determination are performed:
  • (a) the thickness of the fabric 22 under the transmitter / receiver 82 ;
  • (b) the thickness of the fabric 22 under the transmitter / receiver 84 ; and
  • (c) the propagation time of a signal from the transceiver 82 to the transmitter / receiver 84 ,

Diese Messungen sind ausreichend für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes und für die Bestimmung von Änderungen der Dicke des Gewebes 22. Es sollte angemerkt werden, dass dann, wenn der Sender/Empfänger 82 und der Sender/Empfänger 84 ausreichend beabstandet sind, so dass ein Signal vom Sender/Empfänger 82 zum Sender/Empfänger 84 durch den Knochen 18 verläuft, die Messung (c) nicht ausgeführt wird. Die Messungen (c) und (d), die im Schritt von 5B ausgeführt werden, sind jedoch ein Ausgleich für die Nichtausführung der Messung (c).These measurements are sufficient to determine the speed of sound of the soft tissue and to determine changes in the thickness of the tissue 22 , It should be noted that if the transmitter / receiver 82 and the transceiver 84 are sufficiently spaced so that a signal from the transmitter / receiver 82 to the transmitter / receiver 84 through the bone eighteen runs, the measurement (c) is not performed. The measurements (c) and (d) made in the step of 5B but compensate for the non-execution of the measurement (c).

In dem Schritt, der in 5B gezeigt ist, wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens gemessen, indem die Ausbreitungszeit eines Signals zwischen dem Sender 80 und dem Empfänger 86 gemessen wird. Außerdem werden die folgenden Messungen, die für die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit nützlich sind, ausgeführt:

  • (a) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 82;
  • (b) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 84;
  • (c) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender 80 zum Sender/Empfänger 82; und
  • (d) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender/Empfänger 84 zum Empfänger 86.
In the step in 5B is shown, the speed of sound of the bone is measured by the propagation time of a signal between the transmitter 80 and the receiver 86 is measured. In addition, the following measurements useful for soft tissue velocity determination are performed:
  • (a) the thickness of the fabric 22 under the transmitter / receiver 82 ;
  • (b) the thickness of the fabric 22 under the transmitter / receiver 84 ;
  • (c) the propagation time of a signal from the transmitter 80 to the transmitter / receiver 82 ; and
  • (d) the propagation time of a signal from the transceiver 84 to the recipient 86 ,

Diese Messungen sind ausreichend für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes und für die Bestimmung von Änderungen der Dicke des Gewebes 22. Wenn wiederum der schnellste Weg für ein Signal vom Sender 80 zum Sender/Empfänger 82 oder vom Sender/Empfänger 84 zum Empfänger 86 durch den Knochen 18 verläuft, werden die Messungen (c) und/oder (d) nicht ausgeführt. Die Messung (c), die im Schritt von 5A ausgeführt wird, ersetzt jedoch diese fehlenden Messungen.These measurements are sufficient to determine the speed of sound of the soft tissue and to determine changes in the thickness of the tissue 22 , In turn, the fastest way for a signal from the transmitter 80 to the transmitter / receiver 82 or from the transmitter / receiver 84 to the recipient 86 through the bone eighteen runs, the measurements (c) and / or (d) are not carried out. The measurement (c) made in the step of 5A is executed, but replaces these missing measurements.

Es sollte angemerkt werden, dass die Messungen, die in dem in 5B gezeigten Schritt ausgeführt werden, die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes in lokalen Bereich bestimmen, die den Bereich umgeben, in dem sich ein Signal fortbewegt, das für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Knochen verwendet wird. Dadurch ist diese Ausführungsform dann für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Knochen geeignet, wenn von der Oberfläche be kannt ist, dass sie ungleichmäßig ist oder wenn bekannt ist, dass sich die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes ändert. Außerdem ist die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Knochen über gekrümmten Körperteilen, wie etwa längs der transversalen Achse von Knochen 18, infolge des kurzen Wegsegments, das längs eines Knochens 18 erforderlich ist, möglich.It should be noted that the measurements made in the in 5B 5, which determine the speed of sound of the soft tissue in the local area surrounding the area in which a signal travels, which is used for the determination of the speed of sound in the bone. Thus, this embodiment is then suitable for the determination of the speed of sound in bone, if it is known from the surface be that it is uneven or if it is known that the speed of sound of the soft tissue changes. In addition, the determination of the speed of sound of bones is over curved body parts, such as along the transverse axis of bones eighteen , owing to the short way segment, that along a bone eighteen is required, possible.

Die geringen Abmessungen des minimal erforderlichen Knochenwegsegments ermöglicht eine Abtastung mit einer hohen räumlichen Auflösung unter Verwendung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Um z. B. die Schallgeschwindigkeit in einem Abschnitt des Kortex eines Zahns zu messen, kann ein 10 MHz-Ultraschallimpuls verwendet werden. Infolge der hohen Frequenz des Ultraschalls können die Sensorabmessungen in der Größenordnung von 3 mm liegen, wobei die Auflösung kleiner als 1 mm ist.The small dimensions of the minimum required bone pathway segment allows a sample with a high spatial resolution using the embodiments of the present invention. To z. B. the speed of sound in Measuring a section of the cortex of a tooth may involve a 10 MHz ultrasonic pulse be used. Due to the high frequency of the ultrasound, the Sensor dimensions of the order of magnitude of 3 mm, with the resolution is less than 1 mm.

Die 6A und 6B zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform unter Verwendung von drei Sender/Empfängern, einem Sender und einem Empfänger. Wie zuvor wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens bestimmt, indem die Ausbreitungszeit eines vom Sender 90 ausgesendeten Signals zu einem Empfänger 98 gemessen wird. Ein aus zwei Schritten bestehender Prozess zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Weichgewebe ist bevorzugt.The 6A and 6B show a further preferred embodiment using three transceivers, a transmitter and a receiver. As before, the speed of sound of the bone is determined by the propagation time of one of the transmitter 90 emitted signal to a receiver 98 is measured. A two-step process for determining the speed of sound of soft tissue is preferred.

6A zeigt einen ersten Schritt, bei dem die folgenden Messungen ausgeführt werden:

  • (a) Übertragungszeit vom Sender 90 zu einem Sender/Empfänger 92;
  • (b) Übertragungszeit vom Sender/Empfänger 92 zu einem Sender/Empfänger 96;
  • (c) Übertragungszeit vom Sender/Empfänger 96 zum Empfänger 98;
  • (d) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 94 liegenden Gewebes 22; und
  • (e) Übertragungszeit vom Sender 90 zum Empfänger 98.
6A shows a first step where the following measurements are taken:
  • (a) Transmission time from the transmitter 90 to a transmitter / receiver 92 ;
  • (b) Transmission time from transmitter / receiver 92 to a transmitter / receiver 96 ;
  • (c) Transmission time from transmitter / receiver 96 to the recipient 98 ;
  • (d) thickness of under a transmitter / receiver 94 lying tissue 22 ; and
  • (e) transmission time from the transmitter 90 to the recipient 98 ,

6B zeigt einen zweiten Schritt, bei dem die folgenden Messungen ausgeführt werden:

  • (a) Übertragungszeit vom Sender/Empfänger 92 zu Sender/Empfänger 96;
  • (b) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 92 liegenden Gewebes 22;
  • (c) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 94 liegenden Gewebes 22;
  • (d) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 96 liegenden Gewebes 22; und
  • (e) Übertragungszeit vom Sender 90 zum Empfänger 98.
6B shows a second step in which the following measurements are carried out:
  • (a) Transmission time from transmitter / receiver 92 to transmitter / receiver 96 ;
  • (b) thickness of under a transmitter / receiver 92 lying tissue 22 ;
  • (c) thickness of under a transmitter / receiver 94 lying tissue 22 ;
  • (d) thickness of under a transmitter / receiver 96 lying tissue 22 ; and
  • (e) transmission time from the transmitter 90 to the recipient 98 ,

Dadurch wird die Dicke des Gewebes 22 an drei Stellen gemessen, so dass Änderungen der Dicke des Gewebes 22 leichter in die Berechnung einbezogen werden können.This will change the thickness of the fabric 22 Measured in three places, allowing changes in the thickness of the fabric 22 easier to include in the calculation.

Die Sender/Empfänger 92 und 96 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie die Dicke des Gewebes 22 an genau dem Punkt messen, an dem geschätzt wird, dass das Signal zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit des Knochens in den Knochen eintritt und diesen verlässt. Der Sender/Empfänger 94 ist vorzugsweise so angeordnet, dass er die Dicke des Gewebes 22 an dem geschätzten Punkt der Reflexionen für Signale vom Sender/Empfänger 92 zum Sender/Empfänger 96 misst. Dadurch ist ein genauerer Schätzwert der Signalweglänge im Gewebe 22 möglich.The transmitter / receiver 92 and 96 are preferably arranged to match the thickness of the fabric 22 at the exact point at which it is estimated that the signal for determining the speed of sound of the bone enters and leaves the bone. The transmitter / receiver 94 is preferably arranged to match the thickness of the fabric 22 at the estimated point of reflections for signals from the transceiver 92 to the transmitter / receiver 96 measures. This is a more accurate estimate of the signal path length in the tissue 22 possible.

Die 7A und 7B zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens durch Messen der Ausbreitungszeit eines Signals von einem Sender 110 zu einem Empfänger 120 bestimmt. Es wird jedoch eine Anzahl von vier Sender/Empfängern 112, 114, 116 und 118 verwendet, um die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes zu messen. Diese Ausführungsform enthält mehrere Merkmale, die in vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden und insbesondere in 7B gezeigt sind:

  • (a) die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes wird separat für jeden Bereich bestimmt; in dem sich das Signal durch das Gewebe 22 fortbewegt;
  • (b) die Dicke des Gewebes 22 wird an dem Punkt gemessen, an dem das Signal in den Knochen 18 eintritt; und
  • (c) der Weg des Signals fällt mit dem Weg zusammen, der für Signale zum Messen der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes verwendet wird.
The 7A and 7B show a further preferred embodiment of the present invention. As before, the sound velocity of the bone is measured by measuring the propagation time of a signal from a transmitter 110 to a receiver 120 certainly. However, there will be a number of four transceivers 112 . 114 . 116 and 118 used to measure the speed of sound of soft tissue. This embodiment includes several features that have been described in previous embodiments, and in particular in 7B shown are:
  • (a) the speed of sound of the soft tissue is determined separately for each area ; in which the signal passes through the tissue 22 traveling;
  • (b) the thickness of the fabric 22 is measured at the point where the signal enters the bone eighteen entry; and
  • (c) the path of the signal coincides with the path used for signals to measure the speed of sound of the soft tissue.

Wie erkannt werden kann, werden die Sender/Empfänger vorzugsweise in der Weise angeordnet, die in 7B gezeigt ist, und nicht wie in 7A gezeigt ist, um alle oben erwähnten Merkmale zu erreichen.As can be appreciated, the transceivers are preferably arranged in the manner disclosed in U.S. Pat 7B is shown, and not as in 7A is shown in order to achieve all the features mentioned above.

Vorzugsweise werden zwei unabhängige Messvorgänge ausgeführt. Ein erster Vorgang, der in dem Bereich nahe am Sender 110 ausgeführt wird, umfasst:

  • (a) Messen der Ausbreitungszeit für ein Signal vom Sender 110 zum Sender/Empfänger 114 (wobei der Sender/Empfänger 114 lediglich ein Empfänger zu sein braucht);
  • (b) Messen der Dicke des unter dem Sender/Empfänger 112 liegenden Gewebes 22; und
  • (c) Berechnen der Dicke des Gewebes 22 und seiner Schallgeschwindigkeit in dem Bereich nahe am Sender 110 unter Verwendung von (a) und (b).
Preferably, two independent measuring operations are carried out. A first operation in the area close to the transmitter 110 is executed includes:
  • (a) measuring the propagation time for a signal from the transmitter 110 to the transmitter / receiver 114 (where the transmitter / receiver 114 just to be a recipient);
  • (b) measuring the thickness of under the transmitter / receiver 112 lying tissue 22 ; and
  • (c) calculating the thickness of the fabric 22 and its speed of sound in the area near the transmitter 110 using (a) and (b).

Der zweite Vorgang ist sehr ähnlich und wird im Bereich nahe am Empfänger 120 ausgeführt:

  • (a) Messen der Ausbreitungszeit für ein Signal vom Sender/Empfänger 116 zum Empfänger 120 (wobei der Sender/Empfänger 116 lediglich ein Sender zu sein braucht);
  • (b) Messen der Dicke des unter dem Sender/Empfänger 118 liegenden Gewebes 22; und
  • (c) Berechnen der Dicke des Gewebes 22 und seiner Schallgeschwindigkeit in dem Bereich nahe am Empfänger 120 unter Verwendung von (a) und (b).
The second process is very similar and will be close to the receiver 120 run:
  • (a) measuring the propagation time for a signal from the transceiver 116 to the recipient 120 (where the transmitter / receiver 116 only one transmitter needs to be);
  • (b) measuring the thickness of under the transmitter / receiver 118 lying tissue 22 ; and
  • (c) calculating the thickness of the fabric 22 and its speed of sound in the area near the receiver 120 using (a) and (b).

In den Ausführungsformen, die in den 4A7B gezeigt sind, sind alle Ultraschallelemente vorzugsweise kolinear. Die korrekten Schallgeschwindigkeiten können jedoch bestimmt werden, wenn die Ultraschallelemente nicht kolinear sind, jedoch die Abstände zwischen den Ultraschallelementen bekannt sind.In the embodiments included in the 4A - 7B are shown, all ultrasonic elements are preferably collinear. However, the correct sound velocities can be determined if the ultrasound elements are not collinear, but the distances between the ultrasound elements are known.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen sendet und empfängt ein Sender/Empfänger, wie etwa der Sender/Empfänger 82 (5A), eine Ultraschallwelle. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Empfangsqualität eines Ultraschall-Sender/Empfängers für eine kurze Zeit nach dem Senden einer Ultraschallwelle verschlechtert ist. Das gemessene Empfangssignal ist die Summe des tatsächlich empfangenen Signals und eines Sendesignalrests. Diese Verschlechterung kann verhindert werden, indem die Sender/Empfänger jeweils in ein Paar aus Sender und Empfänger getrennt werden.In the embodiments described above, a transceiver transmits and receives, such as about the transmitter / receiver 82 ( 5A ), an ultrasonic wave. The inventor has found that the reception quality of an ultrasonic transceiver is deteriorated for a short time after transmitting an ultrasonic wave. The measured received signal is the sum of the actually received signal and a transmission signal remainder. This degradation can be prevented by separating the transceivers into a pair of transmitter and receiver, respectively.

Die 8A und 8B zeigen eine derartige Trennung, die an den Ausführungsformen ausgeführt ist, die in den 7A und 7B gezeigt sind. In 8A entspricht ein Sender 130 dem Sender 110 (in 7A), ein Sender 132 und ein Empfänger 134 entsprechen dem Sender/Empfänger 112, ein Empfänger 136 entspricht dem Empfänger 114, ein Sender 138 entspricht dem Sender 116, ein Sender 140 und ein Empfänger 142 entsprechen dem Sender/Empfänger 118 und ein Empfänger 144 entspricht dem Empfänger 120. Das Verfahren des Betriebs ist wie das oben unter Bezugnahme auf 7A beschriebene Verfahren mit Ausnahme der Dicken unter dem Sender/Empfänger 112 und 118, die nicht mit einem Sender/Empfänger, sondern unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers gemessen werden. Das Messen der Dicke des Weichgewebes unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers ist so genau wie bei der Verwendung eines einzelnen Sender/Empfängers, da der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger (d. h. der Abstand zwischen dem Sender 132 und dem Empfänger 134) viel kürzer ist als die Dicke des Weichgewebes 22. Außerdem ist die Oberfläche des Knochens 18 gelegentlich unregelmäßig. Wenn der Reflexionspunkt der Welle vom Sender 112 von dem der Welle vom Sender 110 zum Empfänger 114 infolge dieser Unregelmäßigkeiten verschieden ist, ist die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit nicht korrekt. Die Welle vom Sender 132 zum Empfänger 134 bewegt sich unter einem Winkel, deswegen haben die Unregelmäßigkeiten einen geringeren Einfluss auf den Reflexionspunkt.The 8A and 8B show such a separation, which is carried out on the embodiments, which in the 7A and 7B are shown. In 8A corresponds to a transmitter 130 the transmitter 110 (in 7A ), a transmitter 132 and a receiver 134 correspond to the transmitter / receiver 112 , a receiver 136 corresponds to the recipient 114 , a transmitter 138 corresponds to the transmitter 116 , a transmitter 140 and a receiver 142 correspond to the transmitter / receiver 118 and a receiver 144 corresponds to the recipient 120 , The method of operation is as described above with reference to FIG 7A described method with the exception of the thicknesses under the transmitter / receiver 112 and 118 which are measured not with a transceiver but using a transmitter and a receiver. Measuring the thickness of the soft tissue using a transmitter and a receiver is as accurate as using a single transceiver because the distance between the transmitter and the receiver (ie the distance between the transmitter 132 and the receiver 134 ) is much shorter than the thickness of the soft tissue 22 , Besides, the surface of the bone is eighteen occasionally irregular. When the reflection point of the wave from the transmitter 112 from that of the wave from the transmitter 110 to the recipient 114 As a result of these irregularities, the determination of the soft tissue velocity is incorrect. The wave from the transmitter 132 to the recipient 134 moves at an angle, so the irregularities have less influence on the reflection point.

8B zeigt ein weiteres alternatives Messverfahren, bei dem Sender/Empfänger verwendet werden, es besteht jedoch eine große Zeitdifferenz zwischen dem Senden und dem Empfangen, so dass die Empfangsqualität nicht verschlechtert ist. 8B shows another alternative measuring method using the transmitter / receiver, but there is a large time difference between the transmission and the reception, so that the reception quality is not deteriorated.

Bei der Konfiguration von 8B werden mehrere Messschritte ausgeführt, die umfassen:

  • (a) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender 150 zu einem Sender/Empfänger 156;
  • (b) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender/Empfänger 152 zu einem Empfänger 164;
  • (c) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender 154 zum Sender/Empfänger 152;
  • (d) Messen der Signalausbreitungszeit vom Sender/Empfänger 156 zum Empfänger 160; und
  • (e) Messen der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender 150 und dem Empfänger 164.
In the configuration of 8B several measuring steps are carried out, which include:
  • (a) Measure the signal propagation time from a transmitter 150 to a transmitter / receiver 156 ;
  • (b) measuring the signal propagation time from a transmitter / receiver 152 to a receiver 164 ;
  • (c) measuring the signal propagation time from a transmitter 154 to the transmitter / receiver 152 ;
  • (d) measuring the signal propagation time from the transceiver 156 to the recipient 160 ; and
  • (e) measuring the signal propagation time between the transmitter 150 and the receiver 164 ,

Die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 wird in der oben beschriebenen Weise bestimmt. Es sollte erkannt werden, dass die Messschritte gleichzeitig ausgeführt werden können, Sender/Empfänger senden jedoch vorzugsweise keine Wellen aus, kurz bevor sie Wellen empfangen sollen.The speed of sound of the bone eighteen is determined in the manner described above. It should be appreciated that the measurement steps may be performed concurrently, but the transmitter / receiver preferably does not transmit waves just before they are to receive waves.

Die Messung der Schallgeschwindigkeit von Knochen hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Eine erste Anwendungsmöglichkeit ist das Finden von Frakturen und Verformungen in Knochen. Wenn ein Knochen überbelastet oder gebrochen ist (auch eine Haarlinienfraktur, die auf Röntgenbildern kaum erkennbar ist), ändert sich seine Schallgeschwindigkeit merklich an den Stellen, die die Fraktur umgeben. Wegen der hohen Auflösung von einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ebenfalls Frakturen in den Handgelenkknochen identifiziert werden, wobei Vorrichtungen des Standes der Technik zu einer derartigen Unterscheidung nicht in der Lage sind.The Measuring the speed of sound of bones has many uses. A first application possibility is the finding of fractures and deformations in bones. When a Bones overloaded or is broken (also a hairline fracture on x-rays barely recognizable) changes its speed of sound noticeable in the places that the fracture surround. Because of the high resolution of some embodiments of the present invention fractures in the wrist bones are also identified, whereby prior art devices become such Distinction are not able.

Eine zweite Anwendungsmöglichkeit ist die Abschätzung des Knochens und von Teilen davon, um das Fehlen von Mineralen in dem Knochen auf Grund von Knochenerkrankungen, Osteoporose und einer Umgebung mit geringer Schwerkraft zu bestimmen. Es sollte angemerkt werden, dass die Geschwindigkeit hauptsächlich vom Young-Modul abhängt, d. h. je geringer die Geschwindigkeit ist, desto schwächer ist der Knochen.A second application is the estimate of the bone and parts thereof, to the absence of minerals in the bone due to bone disease, osteoporosis and a To determine the environment with low gravity. It should be noted be that the speed mainly depends on the Young's modulus, d. H. the lower the speed, the weaker it is the bone.

Eine dritte Anwendungsmöglichkeit ist die graphische Darstellung des Heilungsprozesses eines gebrochenen Knochens. Die gewöhnliche Praxis besteht darin, den beschädigten Knochen im Gips zu halten, bis eine vorgegebene Zeitperiode abgelaufen ist. Einige Patienten benötigen jedoch eine längere bzw. eine kürzere Heilungsperiode. Röntgenstrahlaufnahmen zeigen gewöhnlich nicht genügend Einzelheiten, um die Festigkeit des Knochens zu bewerten. Durch Messen und Darstellen von Änderungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens kann ein Arzt den Zustand einer Knochenwiederherstellung genauer einschätzen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein kleines Loch in den Gips gebohrt und die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird gemessen, ohne den Gips zu entfernen. Bei einigen Patienten ist es vorteilhaft, Änderungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens an gegenüberliegenden Gliedmaßen zu vergleichen.A third application is the graphical representation of the healing process of a broken bone. The common practice is to hold the damaged bone in the plaster until a predetermined period of time has elapsed. However, some patients require a longer or shorter healing period. X-ray images usually do not show enough detail to evaluate the strength of the bone. By measuring and displaying changes in the speed of sound of the bone, a physician can more accurately assess the condition of a bone restoration. In a preferred embodiment, a small hole is drilled in the plaster and the speed of sound of the bone is measured without removing the plaster. In some patients, it is beneficial to change the Compare the speed of sound of the bone on opposite limbs.

Eine vierte Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist das Messen der Dicke des Kortex des Knochens. 9 zeigt einen Knochen 18 mit einem inneren Kern 316 und einem Kortex 314. Der allgemeine Durchmesser des Knochens 18 ist D und der Durchmesser des inneren Kerns 316 ist d. Somit ist die Dicke des Kortex 314 (D – d)/2.A fourth application of the invention is to measure the thickness of the cortex of the bone. 9 shows a bone eighteen with an inner core 316 and a cortex 314 , The general diameter of the bone eighteen is D and the diameter of the inner core 316 is d. Thus, the thickness of the cortex 314 (D - d) / 2.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schätzt eine Steuereinheit 100 die Dicke des Kortex 314 unter Verwendung einer theoretisch abgeleiteten und empirisch bestätigten dimensionslosen Kurve der normierten Geschwindigkeit als Funktion der normierten Dicke, die in 10 gezeigt ist, auf die nun eine Bezugnahme erfolgt. Eine Erläuterung der Erzeugung der Kurve von 10 ist in dem Buch "Stress Waves in Solids" von H. Kolsky, Oxford and Clarendon Press, 1953 angegeben.According to another embodiment of the present invention, a control unit estimates 100 the thickness of the cortex 314 using a theoretically derived and empirically confirmed dimensionless curve of the normalized velocity as a function of the normalized thickness 10 to which reference is now made. An explanation of the generation of the curve of 10 is stated in the book "Stress Waves in Solids" by H. Kolsky, Oxford and Clarendon Press, 1953.

Die genaue Form der Kurve ändert sich mit dem Werkstoff, der gemessen wird. Es ist jedoch durch die gegenwärtigen Erfinder festgestellt worden, dass die Form der Kurve für menschliche Knochen näherungsweise konstant ist.The exact shape of the curve changes with the material being measured. It is, however, by the current Inventors have found that the shape of the curve for human Bone approximately is constant.

Die Geschwindigkeit Vt in der Kurve von 10 ist durch die Geschwindigkeit V0 normiert, die in einem unendlichen Festkörper erreicht werden würde, und die Dicke ist normiert durch die Wellenlänge λ des Signals vom Sender 70. λ ist natürlich durch V18 festgelegt: λ = V18/f (41)wobei f die Frequenz des Ultraschallsignals ist. Es ist durch die Erfinder festgestellt worden, dass die Kurve etwa gleich ist, unabhängig davon, ob es sich bei der Dicke um die Dicke D (9) des Knochens oder um die Dicke (D – d)/2 (9) des Kortex 314 handelt. Die vorgeschlagene Erklärung besteht darin, dass dann, wenn der Kortex in Bezug auf λ dick ist, die inneren Abschnitte des Knochens keinen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit haben. Wenn jedoch der Kortex in Bezug auf λ dünn ist, haben die inneren Abschnitte des Knochens Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Die inneren Abschnitte von Knochen sind gewöhnlich viel weicher als der Kortex, so dass ihre Schallgeschwindigkeit viel kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit des Kortex. Dadurch kann dann, wenn eine höhere Frequenz verwendet wird, ein dünnerer Knochen gemessen werden.The velocity V t in the curve of 10 is normalized by the velocity V 0 that would be achieved in an infinite solid, and the thickness is normalized by the wavelength λ of the signal from the transmitter 70 , λ is of course determined by V 18 : λ = V eighteen / f (41) where f is the frequency of the ultrasonic signal. It has been found by the inventors that the curve is about the same regardless of whether the thickness is about the thickness D (FIG. 9 ) of the bone or about the thickness (D - d) / 2 ( 9 ) of the cortex 314 is. The proposed explanation is that when the cortex is thick with respect to λ, the inner portions of the bone have no effect on the speed of sound. However, when the cortex is thin with respect to λ, the internal portions of the bone have an influence on the speed of sound. The inner sections of bones are usually much softer than the cortex, so that their speed of sound is much smaller than the speed of sound of the cortex. As a result, when a higher frequency is used, a thinner bone can be measured.

Es wird angemerkt, dass die Kurve einen Bereich 330 für verhältnismäßig kleine Geschwindigkeitsverhältnisse und kleine Durchmesser/Wellenlängen-Verhältnisse und einen Bereich 332 für Durchmesser/Wellenlängen-Verhältnisse, die größer als etwa 1,5 sind, was eine Asymptote zu 1,0 darstellt, aufweist.It is noted that the curve is an area 330 for relatively low speed ratios and small diameter / wavelength ratios and range 332 for diameter / wavelength ratios greater than about 1.5, which is an asymptote to 1.0.

Um die Dicke (D – d)/2 für einen Knochen 18 abzuschätzen, wird ein Sender 70 zweimal betrieben, einmal mit einem hochfrequenten Eingangssignal und einmal mit einem niederfrequenten Eingangssignal. Bei jeder Messung wird die Steuereinheit 100 betrieben, wie oben unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben wurde, um die empfangene Geschwindigkeit zu messen. Alternativ ist der Sender 70 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Breitbandsender und wird lediglich einmal betrieben. Außerdem enthält die Steuereinheit 100 Frequenzfilter zum Trennen der empfangenen hochfrequenten Signale von den niederfrequenten Signalen. Dadurch werden Geschwindigkeit bei hohen Frequenzen und die Geschwindigkeit bei niedrigen Frequenzen gleichzeitig gemessen.To the thickness (D - d) / 2 for a bone eighteen estimate, becomes a sender 70 operated twice, once with a high-frequency input signal and once with a low-frequency input signal. At each measurement, the control unit 100 operated as above with reference to the 4A and 4B was described to measure the received speed. Alternatively, the transmitter 70 In a preferred embodiment of the present invention, a broadband transmitter is operated only once. In addition, the control unit contains 100 Frequency filter for separating the received high-frequency signals from the low-frequency signals. This simultaneously measures speed at high frequencies and speed at low frequencies.

Die Reaktion auf das hochfrequente Eingangssignal, das eine niedrige Wellenlänge λ besitzt, ergibt einen Geschwindigkeits-Datenpunkt 334 irgendwo im Bereich 332, aus dem die Geschwindigkeit V0 bestimmt werden kann. Die genaue Lage des Datenpunkts 334 ist unbekannt, da die Dicke noch nicht bestimmt wurde. Sie ist jedoch unwichtig.The response to the high frequency input signal having a low wavelength λ gives a velocity data point 334 somewhere in the area 332 from which the velocity V 0 can be determined. The exact location of the data point 334 is unknown because the thickness has not yet been determined. It is unimportant, however.

Die Reaktion auf das niederfrequente Eingangssignal ergibt einen Geschwindigkeits-Datenpunkt 336 irgendwo im Bereich 330. Da die Geschwindigkeit Vt aus der Messung bekannt ist und die Geschwindigkeit V0 aus der vorherigen Messung bekannt ist, ist die Lage des Datenpunkts auf der Kurve 336 bekannt. Deswegen kann das Verhältnis (D – d)/2·λ) bestimmt werden. Da λ aus der Frequenz des Senders 70 bekannt ist und die Geschwindigkeiten bekannt sind, kann die Dicke des Kortex 314 (D – d) bestimmt werden.The response to the low frequency input signal results in a velocity data point 336 somewhere in the area 330 , Since the velocity V t is known from the measurement and the velocity V 0 from the previous measurement is known, the position of the data point is on the curve 336 known. Therefore, the ratio (D - d) / 2 · λ) can be determined. Since λ is out of the frequency of the transmitter 70 is known and the speeds are known, the thickness of the cortex 314 (D - d) can be determined.

Es sollte anerkannt werden, dass die oben beschriebene vierte Verwendung zweckmäßiger ist, wenn statt der Verwendung von Verfahren des Standes der Technik das Verfahren der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Knochen verwendet wird. Hochfrequenzsignale werden sehr schnell gedämpft, wenn sie sich durch Knochenmaterial bewegen. Daher sind nur dann, wenn der Weg im Knochen 18 kurz ist, wie dies bei Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich ist, hochfrequente Ultraschallwellen zweckmäßig. Somit ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das verwendete hochfrequente Eingangssignal höher als im Stand der Technik, weshalb es für dünnere Knochen geeignet ist.It should be appreciated that the fourth use described above is more convenient if, instead of using prior art methods, the method of determining the speed of sound in the bone is used. High frequency signals are damped very quickly as they move through bone material. Therefore, only when the way in the bone eighteen short is how this is done Use of the present invention is possible, high-frequency ultrasonic waves appropriate. Thus, in a preferred embodiment of the invention, the high-frequency input signal used is higher than in the prior art, which makes it suitable for thinner bones.

Es sollte erkannt werden, dass das oben beschriebene Verfahren zum Aussenden eines einzelnen Breitbandsignals an Stelle von zwei Signalen mit spezifischer Frequenz bei Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Knochendicke angewendet werden kann, wie etwa die Verfahren, die im US-Patent 5.143.072 gezeigt sind.It It should be recognized that the method described above for Emitting a single wideband signal instead of two signals with specific frequency in prior art methods for Determining the bone thickness can be applied, such as the Method described in US Patent 5,143,072 are shown.

Es erfolgt nun eine Bezugnahme auf die 11 und 12, die Aspekte einer weiteren Ausführungsform veranschaulichen, die beim Abtasten über einen Abschnitt 448 eines menschlichen Körpers, wie etwa ein Arm, nützlich ist.There is now a reference to the 11 and 12 , which illustrate aspects of another embodiment of sampling over a section 448 of a human body, such as an arm, is useful.

Bei dieser Ausführungsform wird ein Sensor, das aus einer Anordnung von Ultraschallsender-/Empfängerzellen 450 gebildet ist, auf einem Abschnitt 448 angeordnet oder um diesen gewickelt wird oder er ist als ein strumpfähnliches Element 460 ausgebildet. Die Anordnung 450 ist typischerweise mit dem Abschnitt 448 in üblicher Weise akustisch gekoppelt.In this embodiment, a sensor consisting of an array of ultrasonic transmitter / receiver cells 450 is formed on a section 448 is arranged or wrapped around this or he is as a stocking-like element 460 educated. The order 450 is typical with the section 448 acoustically coupled in the usual way.

Wie in 12 gezeigt ist, sind die Eingangs- und Ausgangsleitungen von jeder Zelle der Anordnung 450 typischerweise mit einem analogen Matrix-Multiplexer 451 verbunden, der wiederum mit einer Ansteuereinrichtung 452 und mit einer Signalverarbeitungseinheit 454 gekoppelt ist. Die Ansteuereinrichtung 452 und die Einheit 454 werden typischerweise über einen Mikroprozessor 455 gesteuert.As in 12 3, the input and output lines of each cell are the array 450 typically with an analog matrix multiplexer 451 connected, in turn, with a drive device 452 and with a signal processing unit 454 is coupled. The drive device 452 and the unit 454 are typically via a microprocessor 455 controlled.

Der Multiplexer 451 ermöglicht einen einzelnen Zugriff auf jede Zelle der Anordnung 450 und wird betrieben, um jede Zelle als einen Empfänger, einen Sender, einen Sender/Empfänger oder als nicht aktiv zu definieren.The multiplexer 451 allows one access to each cell of the array 450 and is operated to define each cell as a receiver, a transmitter, a transceiver, or as inactive.

Die einzelnen Zellen der Anordnung 450 können infolge der Dämpfung, die durch lange Wege durch den Knochen 18 bewirkt wird, zu klein sein, um Ultraschallwandler bei Verfahren des Standes der Technik zu bilden. Deswegen werden mehrere Gruppen aus Zellen der Anordnung 450 an gewünschten Orten elektronisch und wählbar als Ultraschallelemente definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede Zelle der Anordnung 450 ein separates Ultraschallelement, wie oben beschrieben wurde. Alter nativ werden Gruppen von Zellen als Wandler definiert, wie im Stand der Technik gezeigt ist. Eine der nachfolgend beschriebenen Betriebsarten wird jedoch vorzugsweise verwendet.The individual cells of the arrangement 450 can be due to the attenuation caused by long distances through the bone eighteen is too small to form ultrasonic transducers in prior art methods. Because of this, multiple groups of cells become the arrangement 450 electronically and selectably defined as ultrasonic elements at desired locations. In a preferred embodiment of the present invention, each cell is the assembly 450 a separate ultrasonic element as described above. Alternatively, groups of cells are defined as transducers, as shown in the prior art. However, one of the modes described below is preferably used.

Ein erstes bevorzugtes Betriebsverfahren besteht darin, Zellen und Gruppen aus Zellen auszuwählen, die die Funktionalität der oben beschriebenen Ausführungsformen näherungsweise ausführen. Dadurch kann eine optimale Platzierung von Sender/Empfängern erreicht werden, ohne Ultraschallelemente zu bewegen.One The first preferred method of operation is cells and groups to select from cells that the functionality the embodiments described above approximately To run. As a result, an optimal placement of transceivers can be achieved be moved without ultrasonic elements.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren verwendet, um die Konfiguration der Anordnung 450 als Sender und Empfänger zu bestimmen. Wie oben beschrieben wurde, verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Sensoren, die für eine spezifische Dicke des Weichgewebes zwischen dem Sensor und den Knochen 18 optimiert sind. Unter Verwendung der Anordnung 450 zum Abbilden des Knochens 18 ist es möglich, die Dicke des darunter liegenden Weichgewebes 22 zu bestimmen, bevor die Knochengeschwindigkeit bestimmt wird:

  • (a) Bestimmen der Dicke des darunter liegenden Weichgewebes 22; und
  • (b) Konfigurieren der Anordnung 450 als Sender, Empfänger und Sender/Empfänger, zwischen denen sich optimale Abstände befinden, die anhand der bestimmten Dicke des Weichgewebes 22 berechnet werden.
In a preferred embodiment of the invention, a two-step process is used to control the configuration of the device 450 as sender and receiver. As described above, a preferred embodiment of the invention utilizes sensors that provide for a specific thickness of soft tissue between the sensor and the bones eighteen are optimized. Using the assembly 450 to image the bone eighteen It is possible to change the thickness of the underlying soft tissue 22 to determine before the bone velocity is determined:
  • (a) Determine the thickness of the underlying soft tissue 22 ; and
  • (b) Configure the arrangement 450 as transmitter, receiver and transmitter / receiver, between which there are optimal distances, based on the determined thickness of the soft tissue 22 be calculated.

Ein Ultraschallsensor umfasst alternativ einen oder mehrere Sender und/oder Empfänger sowie eine Zellenanordnung. Die Zellenanordnung ist so konfiguriert, dass sie an Stelle einiger, jedoch nicht aller Ultraschallelemente, die in den oben genannten Ausführungsformen beschrieben wurden, verwendet wird. In der Ausführungsform von 5A können z. B. die Sender/Empfänger 82 und 84 durch eine Zellenanordnung emuliert werden.An ultrasonic sensor alternatively comprises one or more transmitters and / or receivers as well as a cell arrangement. The cell assembly is configured to be used in place of some but not all of the ultrasonic elements described in the above embodiments. In the embodiment of 5A can z. B. the transmitter / receiver 82 and 84 be emulated by a cell array.

Ein zweites bevorzugtes Betriebsverfahren bildet Knochen und Weichgewebe durch das Betreiben von unterschiedlichen Zellen der Anordnung 450 an Stelle der Bewegung einer Einheit ab, die mehrere Ultraschalleinheiten umfasst. Dadurch kann die Knochengeschwindigkeit an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Richtungen gemessen werden, ohne die Vorrichtung physisch zu bewegen.A second preferred method of operation is to form bones and soft tissues by operating different cells of the assembly 450 instead of the movement of a unit comprising several ultrasonic units. Thereby, the bone velocity can be measured at different positions and in different directions without physically moving the device.

Es sollte angemerkt werden, dass viele Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen einen ungenauen Schätzwert für die Werte von Weichgewebedicke und Weichgewebegeschwindigkeit verwenden. Wenn eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um genauere Werte für Dicke und Geschwindigkeit des Weichgewebes zu bestimmen, liefern diese Verfahren des Standes der Technik genauere Ergebnisse.It It should be noted that many methods of the prior art to determine the speed of sound of bones an inaccurate estimated value for the Use values of soft tissue thickness and soft tissue velocity. If an embodiment The present invention uses more accurate values for thickness and to determine soft tissue velocity, these methods provide the prior art more accurate results.

Außerdem ist die Weichgewebegeschwindigkeit nützlich für die Bestimmung des Wasser-, Fett- und Muskelanteils des Gewebes. Dadurch kann die Dehydrierung und die Rehydrierung eines Patienten analysiert werden, indem die Weichgewebegeschwindigkeit in einem ausgewählten Teil des Körpers des Patienten über eine Zeitperiode gemessen wird. Das Muskel/Fett-Verhältnis des Gewebes kann bestimmt werden, wenn der Wassergehalt des Gewebes bekannt ist, oder durch Mittelwertbildung mehrerer Ergebnisse, die aufgenommen werden, bevor und nachdem ein Patient Wasser trinkt.Besides that is the soft tissue velocity useful for the Determination of water, fat and muscle content of the tissue. Thereby Dehydration and rehydration of a patient can be analyzed by adjusting the soft tissue velocity in a selected part of the body of the patient over one Time period is measured. The muscle / fat ratio of the tissue can be determined when the water content of the tissue is known, or by Averaging multiple results that will be recorded before and after a patient drinks water.

Wenn die menschliche weibliche Brust abgetastet wird, kann die Luft/Gewebe-Grenzfläche als eine Reflexionsebene verwendet werden. Die Brust wird vorzugsweise gegen eine elastische Form gedrückt, so dass sie sich während der Bilderzeugung nicht bewegt.If The human female breast is scanned, the air / tissue interface as a reflection plane can be used. The breast is preferably pressed against an elastic shape, so they are during the image does not move.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Abtasten unter Verwendung einer Zellenanordnung ausgeführt, wie oben beschrieben wurde. Die Abtastungen umfassen vorzugsweise Abtastungen des gleichen Weichgewebes aus mehreren Richtungen, so dass ein Geschwindigkeitsbild des Gewebes vorzugsweise unter Verwendung von tomographischen Verfahren rekonstruiert werden kann.In a preferred embodiment According to the present invention, the scanning is performed using a Cell arrangement executed, as described above. The samples preferably comprise Samples of the same soft tissue from several directions, so that a velocity image of the tissue is preferably using can be reconstructed by tomographic methods.

Die 13A und 13B zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, das die Weichgewebeabbildung betrifft. 13A zeigt einen allgemeinen Weichgewebeabschnitt 508, der einen Weichgewebeabschnitt 506 enthält, der eine wesentlich andere Schallgeschwindigkeit besitzt. Ein Beispiel von derartigen Geweben ist eine menschliche Brust und eine pathologische Geschwulst, wie etwa ein bösartiger Tumor. Der vorzugsweise verwendete Sensor umfasst eine Anordnung, wobei mehrere der Zellen 502 einen Scanner umfassen, der in der Technik der Ultraschall-Bilderzeugung bekannt ist. Wenigstens eine Zelle um fasst einen Sender 500 und wenigstens eine Zelle umfasst einen Empfänger 504. Der Scanner 502 tastet Gewebe 508 ab, bis der Ort des Gewebes 506 gefunden wird (wobei ein Abtaststrahl durch zwei parallele Linien angegeben ist). Das Gewebe 506 ist andernfalls unter Verwendung einer normalen Ultraschallbilderzeugung nicht sichtbar. In diesem Fall wird die Position des Gewebes 506 vorzugsweise vor der Verwendung eines anderen Bilderzeugungsverfahrens, das ebenfalls kennzeichnende Merkmale bestimmt, festgestellt. Diese kennzeichnenden Merkmale werden durch den Scanner 502 gefunden und die Position des Gewebes 506 wird bestimmt. Die Weichgewebegeschwindigkeit des Gewebes 508 in Bereichen, die das Gewebe 506 umgeben, wird bestimmt, wobei der Sender 500, der Empfänger 504 und die mehreren Zellen, die der Scanner 502 umfasst, unter Verwendung der oben beschriebenen Bestimmungsverfahren verwendet werden. Anschließend wird die Weichgewebegeschwindigkeit in einer Weise bestimmt, die den Verlauf der Messwelle durch das Gewebe 506 erzwingt. Wenn z. B. ein Zellengitter verwendet wird, werden mehrere Weichgewebemessungen erfasst und bei Messungen, die sich wesentlich unterscheiden, wird angenommen, dass sie durch das Gewebe 506 verlaufen sind.The 13A and 13B show a preferred embodiment of the invention, which relates to the soft tissue imaging. 13A shows a general soft tissue section 508 that has a soft tissue section 506 contains, which has a significantly different speed of sound. An example of such tissues is a human breast and a pathologic tumor, such as a malignant tumor. The sensor preferably used comprises an arrangement, wherein a plurality of the cells 502 include a scanner known in the art of ultrasound imaging. At least one cell holds a transmitter 500 and at least one cell comprises a receiver 504 , The scanner 502 feels tissue 508 off until the place of the tissue 506 is found (wherein a scanning beam is indicated by two parallel lines). The tissue 506 otherwise it is not visible using normal ultrasound imaging. In this case, the position of the tissue 506 preferably prior to the use of another image forming method which also determines characterizing features. These distinguishing features are provided by the scanner 502 found and the position of the tissue 506 is determined. The soft tissue velocity of the tissue 508 in areas that the tissue 506 surrounded, is determined, the transmitter 500 , the recipient 504 and the multiple cells that make up the scanner 502 used, using the determination methods described above. Subsequently, the soft-tissue velocity is determined in a manner that determines the course of the measuring wave through the tissue 506 forces. If z. For example, when using a cell grid, multiple soft tissue measurements are taken and measurements that are significantly different are believed to pass through the tissue 506 have gone.

13B zeigt in Verbindung mit 13A ein Verfahren zum Vergrößern des Unterschieds zwischen der Messung der Geschwindigkeit im Gewebe 508 und der Messung der Geschwindigkeit im Gewebe 506. Die Ausbreitungszeit in den Segmenten Aa, bB, Bd, Bb', Dd' und a'A' sind konstant und werden durch das Vorhandensein des Gewebes 506 nicht beeinflusst. Diese Ausbreitungszeiten können zuvor in Bereichen bestimmt werden, die das Gewebe 506 nicht enthalten. Folglich kann die Gewebegeschwindigkeit im Gewebe 506 besser bestimmt werden, indem lediglich die Segmente dd' und b'a' verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Wissen über die ungefähre Tiefe des Gewebes 506 verwendet werden, um den Unterschied in ähnlicher Weise zu verbessern. 13B shows in conjunction with 13A a method of increasing the difference between the measurement of tissue velocity 508 and the measurement of tissue velocity 506 , The propagation time in the segments Aa, bB, Bd, Bb ', Dd' and a'A 'are constant and are due to the presence of the tissue 506 unaffected. These propagation times can be determined beforehand in areas containing the tissue 506 not included. Consequently, the tissue velocity in the tissue 506 can be better determined by using only the segments dd 'and b'a'. Alternatively or additionally, knowledge of the approximate depth of the tissue may be helpful 506 used to improve the difference in a similar way.

Eine Vorrichtung zur Weichgewebe-Bilderzeugung kann nur zwei Sender/Empfänger enthalten, wie oben unter Bezugnahme auf Verfahren zur Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit beschrieben wurde. Eine derartige Vorrichtung umfasst jedoch vorzugsweise mehrere Ultraschallelemente und vorzugsweise eine Anordnung, wie etwa die Anordnung 450 (die in 11 gezeigt ist). Alternativ kann eine Vorrichtung, die oben unter Bezugnahme auf die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Knochen beschrieben wurde, außer dem für die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit verwendet werden. In diesen Fällen wird typischerweise die sich im Knochen ausbreitende Welle entweder nicht erzeugt, nicht empfangen oder nicht analysiert.A soft tissue imaging device may include only two transceivers as described above with reference to methods for determining soft tissue velocity. However, such a device preferably comprises a plurality of ultrasonic elements and preferably an arrangement such as the arrangement 450 (in the 11 is shown). Alternatively, an apparatus as described above with reference to sound velocity determination in bones other than that used for soft tissue velocity determination may be used. In these cases, typically, the bone propagating wave is either not generated, not received, or analyzed.

Eine einzelne Messung ist in einigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lediglich 2,5 ms lang, was schneller ist als die meisten Körperrhythmen. Mehrere Messungen, im Verlauf eines Körperrhythmus aufgenommen werden, können verwendet werden, um den Einfluss des Körperrhythmus auf die Messung zu messen.A single measurement is merely in some preferred embodiment of the invention 2.5 ms, which is faster than most body rhythms. Several measurements, taken in the course of a body rhythm can, can used to measure the influence of body rhythm on the measurement to eat.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen wurden in Bezug auf einen Knochen, der von Weichgewebe umgeben ist, beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass diese Ausführungsformen ebenfalls nützlich sind für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften einer allgemeinen Struktur, die von einem schichtförmigen Werkstoff umgeben ist, der eine geringere Schallgeschwindigkeit besitzt. Das betrifft z. B. Metallklammern, die in Gummi eingeschlossen sind.The Embodiments described above were related to a bone that is surrounded by soft tissue, described. However, one skilled in the art will recognize that these embodiments also useful are for the determination of the mechanical properties of a general Structure covered by a layered Material is surrounded, which has a lower speed of sound has. This concerns z. B. metal clips enclosed in rubber are.

Wie oben beschrieben wurde, werden die Schallgeschwindigkeiten in einer zweilagigen Struktur bestimmt. Es sollte erkannt werden, dass die Schallgeschwindigkeiten in einer mehrlagigen Struktur unter der Voraussetzung bestimmt werden können, dass die Lagen sich in einer ansteigenden Reihenfolge der Schallgeschwindigkeiten befinden. Wenn z. B. eine schnelle Lage mit einer langsamen Lage bedeckt ist und diese weiter mit einer sehr langsamen Lage bedeckt ist, wird zuerst die Schallgeschwindigkeit der sehr langsamen Lage bestimmt, dann die der langsamen Lage und anschließend die der schnellen Lage bestimmt. Jede ermittelte Geschwindigkeit wird für die Bestimmung der Geschwindigkeiten in der nächsten Lage verwendet. Wenn jedoch die langsame Lage und die schnelle Lage vertauscht sind, ist die langsame Lage durch die schnelle Lage überdeckt und die Schallgeschwindigkeit der langsamen Lage kann nicht bestimmt werden.As has been described above, the sound velocities in one two-layered structure determined. It should be recognized that the Sound velocities in a multi-layered structure under the Condition can be determined that the layers are in an increasing order of sound velocities are located. If z. B. a fast position with a slow position is covered and this further covered with a very slow position is, the sound velocity of the very slow position is first determined then the slow location and then the fast location certainly. Each determined speed is used for determining the speeds in the next Location used. However, if the slow location and the fast location are reversed, the slow position is covered by the fast location and the speed of sound of the slow position can not be determined become.

14 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit einem Ultraschallsensor des Abtasttyps verwendet wird. Ein typischer Abtastultraschallsensor verwendet eine Anordnung aus Zellen, wie etwa die oben beschriebene Anordnung 450, um einen Abtaststrahl zu bilden, der einen Körperabschnitt, wie etwa den Knochen 18 und das darüber liegende Weichgewebe 22, abtastet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 gleichzeitig mit dem Abtasten des Knochens 18 bestimmt. Dadurch wird ein Bild des Knochens 18 gemeinsam mit einer Darstellung der Schallgeschwindigkeit des Knochens oder der Knochenfestigkeit in dem gleichen Bereich erfasst. Mehrere Zellen 456 bilden einen Abtastsender und mehrere Zellen 458 bilden einen Empfänger für eine Bilderzeugung des Knochens 18. Die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird vorzugsweise zwischen Abtastimpulsen bestimmt. 14 shows an embodiment of the invention used in conjunction with a scan-type ultrasonic sensor. A typical scanning ultrasonic sensor uses an array of cells, such as the arrangement described above 450 to form a scanning beam comprising a body portion, such as the bone eighteen and the overlying soft tissue 22 , scans. In a preferred embodiment of the present invention, the speed of sound of the bone eighteen simultaneously with the palpation of the bone eighteen certainly. This will create an image of the bone eighteen recorded together with a representation of the speed of sound of the bone or bone strength in the same area. Multiple cells 456 form a scanning transmitter and several cells 458 form a receiver for imaging the bone eighteen , The sound velocity of the bone is preferably determined between sampling pulses.

Claims (55)

Verfahren zum Bestimmen mechanischer Eigenschaften eines Festkörpers, der eine Oberfläche und eine zweite Schallgeschwindigkeit besitzt, über ein eingefügtes Medium, das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Ultraschallwelle längs eines Übertragungsweges von einem ersten Ort durch das eingefügte Medium, längs der Oberfläche und von der Oberfläche durch das eingefügte Medium zu einem zweiten Ort, wobei das eingefügte Medium ein biologisches Gewebe enthält; Messen einer ersten Ausbreitungszeit der ersten Welle längs des Übertragungsweges; Bestimmen der Dicke des eingefügten Mediums; Bestimmen der ersten Schallgeschwindigkeit; und Berechnen der zweiten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der ersten Ausbreitungszeit, der Strecke zwischen den Orten, der bestimmten Dicke des eingefügten Mediums und der bestimmten Schallgeschwindigkeit in dem eingefügten Medium.Method for determining mechanical properties a solid, the one surface and a second velocity of sound, via an inserted medium, having a first sound velocity, the method includes: Transmitting a first ultrasonic wave along a transmission path from a first place through the inserted medium, along the surface and from the surface through the inserted Medium to a second location, wherein the inserted medium is a biological Contains tissue; measure up a first propagation time of the first wave along the transmission path; Determine the thickness of the inserted medium; Determining the first sound velocity; and To calculate the second sound velocity using the first propagation time, the distance between the places, the specific thickness of the inserted medium and the determined sound velocity in the inserted medium. Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst: Senden einer zweiten Ultraschallwelle von einem dritten Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; Messen einer zweiten Ausbreitungszeit eines Teils der zweiten Welle, der von der Oberfläche zu einem vierten Ort reflektiert wird; Senden einer dritten Ultraschallwelle von einem fünften Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; und Messen einer dritten Ausbreitungszeit eines Teils der dritten Ultraschallwelle, der von der Oberfläche zu dem fünften Ort reflektiert wird.The method of claim 1, comprising: Send a second ultrasonic wave from a third location through the inserted medium to the surface; measure up a second propagation time of a part of the second wave, the from the surface is reflected to a fourth location; Sending a third Ultrasonic wave from a fifth Place by the inserted Medium to the surface; and measure up a third propagation time of a part of the third ultrasonic wave, from the surface to the fifth Location is reflected. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Teil der zweiten Welle und der Teil der dritten Welle im Wesentlichen am selben Ort auf der Oberfläche reflektiert werden.The method of claim 2, wherein the part of the second Wave and the part of the third wave essentially in the same place on the surface be reflected. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, das umfasst: Bestimmen der ersten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Abstandes zwischen dem dritten und dem vierten Ort und der gemessenen zweiten und dritten Ausbreitungszeit der zweiten bzw. der dritten Ultraschallwelle.A method according to claim 2 or claim 3, which comprises: Determining the first sound velocity using the distance between the third and the fourth location and the measured second and third propagation time of the second and the third ultrasonic wave. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die erste Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt wird:
Figure 00390001
wobei V die erste Schallgeschwindigkeit ist, D der Abstand zwischen dem dritten und dem vierten Ort ist, T1 + T2 die zweite Ausbreitungszeit der zweiten Welle ist und T3 die dritte Ausbreitungszeit der dritten Ultraschallwelle ist.
The method of claim 4, wherein the first sound velocity is determined using the following equation:
Figure 00390001
where V is the first sound velocity, D is the distance between the third and fourth locations, T 1 + T 2 is the second propagation time of the second wave, and T 3 is the third propagation time of the third ultrasonic wave.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, bei dem die Bestimmung der Dicke umfasst: Bestimmen der Dicke des Mediums anhand des Abstandes zwischen dem dritten und dem vierten Ort und der gemessenen zweiten und dritten Ausbreitungszeit für die zweite bzw. die dritte Ultraschallwelle.Method according to one of claims 2-5, wherein the determination the thickness includes: Determining the thickness of the medium based on the Distance between the third and the fourth place and the measured second and third propagation time for the second and third, respectively Ultrasonic wave. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, bei dem die Bestimmung der Dicke umfasst: Bestimmen der Dicke anhand der bestimmten ersten Schallgeschwindigkeit und der dritten Ausbreitungszeit für die dritte Ultraschallwelle.Method according to one of claims 2-4, wherein the determination the thickness includes: Determine the thickness based on the specific first sound velocity and the third propagation time for the third Ultrasonic wave. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 7, bei dem die Dicke unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt wird: H = V·Twobei V die erste Schallgeschwindigkeit ist, T die gemessene dritte Ausbreitungszeit der dritten Ultraschallwelle ist und H die Dicke des eingefügten Mediums ist.The method of claim 2 or claim 7, wherein the thickness is determined using the following equation: H = V · T where V is the first sound velocity, T is the measured third propagation time of the third ultrasonic wave, and H is the thickness of the inserted medium. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–8, bei dem ein Weg der zweiten Ultraschallwelle wenigstens teilweise mit dem Übertragungsweg der ersten Ultraschallwelle überlappt.Method according to one of claims 2-8, wherein a path of the second Ultrasonic wave at least partially overlaps with the transmission path of the first ultrasonic wave. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–9, bei dem die Dicke an einem Schnittpunkt zwischen dem Festkörper und der zweiten Ultraschallwelle bestimmt wird.Method according to one of claims 2-9, wherein the thickness of a Intersection between the solid and the second ultrasonic wave is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Festkörper ein biologisches Gewebe umfasst.Method according to one of the preceding claims, in the solid includes a biological tissue. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Festkörper einen im lebenden Organismus befindlichen Knochen (In-vivo-Knochen) umfasst.The method of claim 11, wherein the solid has a in vivo living bone (in vivo bone). Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem die Dicke an einem Schnittpunkt zwischen der ersten Ultraschallwelle und dem Festkörper bestimmt wird.Method according to one of claims 1-12, wherein the thickness of a Intersection between the first ultrasonic wave and the solid determined becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das eingefügte Medium ein lebendes Gewebe umfasst.Method according to one of the preceding claims, in the inserted one Medium comprises a living tissue. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–14, bei dem die erste und die zweite Ultraschallwelle Wellen mit einer einzigen Frequenz sind.Method according to one of claims 2-14, wherein the first and the second ultrasonic wave are waves with a single frequency. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–15, bei dem sich der erste, der zweite und der dritte Ort in einer Ebene befinden, wobei das Verfahren umfasst: Kippen der Ebene relativ zu dem Oberflächenrand über einen Winkelbereich; und Wiederholen der Messung der ersten Ausbreitungszeit bei verschiedenen Kippwinkeln.Method according to one of claims 2-15, wherein the first, the second and the third place are in one plane, the Method includes: Tilting the plane relative to the surface edge over one Angle range; and Repeat the measurement of the first propagation time at different tilt angles. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Messung ausgeführt wird, wenn der Abstand zwischen dem ersten Ort und der Oberfläche gleich einem Abstand zwischen dem zweiten Ort und der Oberfläche ist.The method of claim 16, wherein the measurement accomplished when the distance between the first place and the surface is the same is a distance between the second location and the surface. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, bei dem die Schallgeschwindigkeit des eingefügten Mediums, das unter dem ersten Ort bzw. unter dem zweiten Ort liegt, unterschiedlich ist.A method according to claim 16 or claim 17, wherein the velocity of sound of the inserted Medium, which is below the first place or below the second place, is different. Verfahren nach einem der Ansprüche 16–18, das die Bestimmung einer Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Festkörper vom Kippwinkel umfasst.A method according to any of claims 16-18, which comprises determining a dependence the speed of sound in the solid body comprises the tilt angle. Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, das die Bestimmung einer maximalen bestimmten Schallgeschwindigkeit für den Festkörper umfasst.A method according to any one of claims 16-19, comprising determining a maximum determined sound velocity for the solid state. Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, das die Bestimmung einer minimalen bestimmten Schallgeschwindigkeit für den Festkörper umfasst.A method according to any one of claims 16-19, comprising determining a includes minimum specific sound velocity for the solid. Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, bei dem der erste, der zweite und der dritte Ort im Wesentlichen kolinear sind und bei dem das Kippen das Kippen der Ebene senkrecht zu einer Achse, die zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Ort kolinear ist, umfasst.Method according to one of claims 19-21, wherein the first, the second and third place are essentially colinear and at the tilting tilting the plane perpendicular to an axis that is colinear to the first, second and third locations. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–22, bei dem die erste und die zweite Ausbreitungszeit gleichzeitig gemessen werden.Method according to one of claims 2-22, wherein the first and the second propagation time are measured simultaneously. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Frequenz wenigstens der ersten Ultraschallwelle wenigstens 2 MHz beträgt.Method according to one of the preceding claims, in a frequency of at least the first ultrasonic wave at least 2 MHz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Frequenz wenigstens der ersten Ultraschallwelle wenigstens 5 MHz beträgt.Method according to one of the preceding claims, in a frequency of at least the first ultrasonic wave at least 5 MHz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Frequenz wenigstens der ersten Ultraschallwelle wenigstens 10 MHz beträgt.Method according to one of the preceding claims, in a frequency of at least the first ultrasonic wave at least 10 MHz. Verfahren zum Bestimmen mechanischer Eigenschaften eines Festkörpers über ein eingefügtes Medium, das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, wobei der Festkörper unter dem Medium liegt und eine Oberfläche und eine zweite Schallgeschwindigkeit besitzt, wobei das Verfahren umfasst: Messen der ersten Schallgeschwindigkeit, wobei das eingefügte Medium ein biologisches Gewebe ist; Messen einer Ausbreitungszeit der Schallwellen längs einer Weglänge, die durch das eingefügte Medium und den Festkörper verläuft; Berechnen der zweiten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der ersten Schallgeschwindigkeit und der Ausbreitungszeit durch das eingefügte Medium und den Festkörper; und Bestimmen der mechanischen Eigenschaften anhand der zweiten Schallgeschwindigkeit.Method for determining mechanical properties of a solid over one inserted Medium having a first sound velocity, wherein the solid below the medium and a surface and a second sound velocity has, wherein the method comprises: Measuring the first sound velocity, being the inserted one Medium is a biological tissue; Measuring a propagation time the sound waves along a path, which by the inserted Medium and the solid runs; To calculate the second sound velocity using the first sound velocity and the propagation time through the inserted medium and the solid; and Determine the mechanical properties based on the second sound velocity. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Messung der ersten Schallgeschwindigkeit umfasst: Senden einer ersten Schallwelle von einem ersten Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; Messen einer ersten Ausbreitungszeit eines Teils der ersten Ultraschallwelle, der von der Oberfläche zu einem zweiten Ort reflektiert wird; Senden einer zweiten Ultraschallwelle von einem dritten Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; Messen einer zweiten Ausbreitungszeit eines Teils der zweiten Ultraschallwelle, der von der Oberfläche zu dem dritten Ort reflektiert wird; und Bestimmen der ersten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Ort und der gemessenen ersten und der gemessenen zweiten Ausbreitungszeit für die erste bzw. die zweite Ultraschallwelle.The method of claim 27, wherein the measurement the first sound velocity includes: Sending a first Sound wave from a first place through the inserted medium to the surface; measure up a first propagation time of a part of the first ultrasonic wave, from the surface is reflected to a second location; Sending a second one Ultrasonic wave from a third location through the inserted medium to the surface; measure up a second propagation time of a part of the second ultrasonic wave, from the surface is reflected to the third place; and Determine the first Speed of sound using the distance between the first and second place and the measured first and the measured second propagation time for the first and the second ultrasonic wave, respectively. Vorrichtung zum Bestimmen einer zweiten Schallgeschwindigkeit eines Festkörpers (18), der eine Oberfläche besitzt, über ein eingefügtes Medium (22), das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, mit: einem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150), der erste Wellen und zweite Wellen in das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche erzeugt, wobei das eingefügte Medium (22) ein biologisches Gewebe umfasst; einem Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156), der die zweiten Wellen empfängt, nachdem sie von der Oberfläche reflektiert worden sind, und dritte Wellen in das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche erzeugt und sie empfängt, nachdem sie von der Oberfläche reflektiert worden sind; einem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der die ersten Wellen empfängt, wobei sich die ersten Wellen durch das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche, längs der Oberfläche und von der Oberfläche zu dem eingefügten Medium (22) und zum Ultraschallempfänger ausgebreitet haben; und einer Steuereinheit (100), die den Ultraschallsender und den Sender/Empfänger steuert, um die ersten, zweiten und dritten Wellen zu erzeugen, in Reaktion auf Ultraschallwellen, die von dem Sender/Empfänger und von dem Empfänger empfangen werden, Signale empfängt und die kürzesten Ausbreitungszeit für jede der ersten, zweiten und dritten Wellen bestimmt und den Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger, den Abstand zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger und die Ausbreitungszeit verwendet, um die Dicke des eingefügten Mediums und die erste Geschwindigkeit zu bestimmen und um die zweite Schallgeschwindigkeit in Reaktion auf die bestimmte Dicke und die bestimmte erste Geschwindigkeit zu berechnen.Device for determining a second sound velocity of a solid ( eighteen ), which has a surface, via an inserted medium ( 22 ) having a first sound velocity, comprising: an ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ), the first waves and second waves in the inserted medium ( 22 ) to the surface, the inserted medium ( 22 ) comprises a biological tissue; an ultrasonic transmitter / receiver ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ), which receives the second waves after being reflected from the surface, and third waves into the inserted medium ( 22 ) is generated to the surface and receives it after being reflected from the surface; an ultrasonic receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ), which receives the first waves, wherein the first waves through the inserted medium ( 22 ) to the surface, along the surface and from the surface to the inserted medium ( 22 ) and have spread to the ultrasound receiver; and a control unit ( 100 ), which controls the ultrasonic transmitter and the transceiver to generate the first, second and third waves, receives signals in response to ultrasonic waves received from the transceiver and the receiver, and has the shortest propagation time for each of first, second and third waves and determines the distance between the transmitter and the receiver, the distance between the transmitter and the transmitter / receiver and the propagation time used to determine the thickness of the inserted medium and the first speed and the second speed of sound in Reaction to the specific thickness and the specific first speed to calculate. Vorrichtung zum Bestimmen einer zweiten Schallgeschwindigkeit eines eine Oberfläche besitzenden Festkörpers (18) über ein eingefügtes Medium (22), das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, mit: einem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150), der eine erste Welle in ein eingefügtes Medium (22) zu der Oberfläche erzeugt, wobei das eingefügte Medium (22) ein biologisches Gewebe umfasst; einem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der die Welle empfängt, wobei sich die erste Welle durch das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche, längs der Oberfläche und von der Oberfläche zu dem eingefügten Medium (22) und zu dem Ultraschallempfänger fortbewegt hat; einer Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84), die eine zweite Welle von dem Sender empfängt oder diese zu dem Empfänger sendet, wobei die zweite Welle unter einem nicht rechten Winkel zu der Oberfläche reflektiert wird, und dritte Wellen erzeugt, wobei die Ultraschalleinheit die dritten Wellen, die von der Oberfläche reflektiert werden, empfängt; und einer Steuereinheit (100), die den Ultraschallsender so steuert, dass er die erste Welle erzeugt, die Ultraschalleinheit steuert, damit sie die dritte Welle erzeugt und die zweite Welle zu dem Empfänger sendet, wobei die Steuereinheit in Reaktion auf die Wellen, die von dem Empfänger und von der Ultraschalleinheit empfangen werden, Signale empfängt und die kürzesten Ausbreitungszeiten jeder der ersten, zweiten und reflektierten Wellen bestimmt und den Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger, den Abstand zwischen der Ultraschalleinheit und dem Sender oder Empfänger und die Ausbreitungszeiten verwendet, um die Dicke des eingefügten Mediums und die erste Geschwindigkeit zu bestimmen und um die zweite Schallgeschwindigkeit anhand der bestimmten Dicke und der bestimmten ersten Geschwindigkeit zu berechnen.Apparatus for determining a second sound velocity of a surface possessing solid ( eighteen ) via an inserted medium ( 22 ) having a first sound velocity, comprising: an ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ), which injects a first wave into an inserted medium ( 22 ) to the surface, the inserted medium ( 22 ) comprises a biological tissue; an ultrasonic receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ), which receives the wave, whereby the first wave through the inserted medium ( 22 ) to the surface, along the surface and from the surface to the inserted medium ( 22 ) and has moved to the ultrasound receiver; an ultrasound unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) receiving a second wave from the transmitter or transmitting it to the receiver, the second wave being reflected at a non-right angle to the surface and generating third waves, the ultrasonic unit detecting the third waves reflected from the surface , receives; and a control unit ( 100 ) which controls the ultrasonic transmitter to generate the first wave, controls the ultrasonic unit to generate the third wave and to transmit the second wave to the receiver, the controller responsive to the waves coming from the receiver and from the receiver Ultrasonic unit are received, receiving signals and determines the shortest propagation times of each of the first, second and reflected waves and the distance between the transmitter and the receiver, the distance between the ultrasonic unit and the transmitter or receiver and the propagation times used to the thickness of the inserted medium and determine the first speed and calculate the second speed of sound based on the determined thickness and the determined first speed. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens einen Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.Device according to Claim 30, in which the ultrasound unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) at least one ultrasonic transmitter / receiver ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ). Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens zwei Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.Device according to Claim 30, in which the ultrasound unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) at least two ultrasonic transceivers ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ). Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens drei Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.Device according to Claim 30, in which the ultrasound unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) at least three ultrasonic transceivers ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ). Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens vier Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.Device according to Claim 30, in which the ultrasound unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) at least four ultrasonic transceivers ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 31–34, bei der der wenigstens eine Sender/Empfänger einen Sender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und einen Empfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) umfasst.Device according to one of claims 29 or 31-34, in which the at least one transmitter / receiver comprises a transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and a receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–34, bei der die Ultraschalleinheit etwa in der Mitte zwischen dem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) und dem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) angeordnet ist.Device according to one of Claims 30-34, in which the ultrasound unit is located approximately in the middle between the ultrasound receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ) and the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–35, bei der die Ultraschalleinheit wesentlich näher entweder bei dem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) oder bei dem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) als bei dem jeweils anderen des Ultraschallempfängers bzw. des Ultraschallsenders angeordnet ist.Device according to one of claims 30-35, wherein the ultrasound unit is substantially closer to either the ultrasound receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ) or at the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) is arranged as in the other of the ultrasonic receiver or the ultrasonic transmitter. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und die Ultraschalleinheit nicht kolinear sind.Device according to one of claims 30-37, wherein the ultrasonic receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ), the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and the ultrasound unit are not colinear. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) im Wesentlichen kolinear sind.Device according to one of claims 30-37, wherein the ultrasonic receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ), the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and the Ultrasonic unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) are substantially colinear. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–39, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) und/oder der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und/oder die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) zu der Oberfläche unter einem Winkel orientiert sind.Device according to one of claims 30-39, wherein the ultrasonic receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ) and / or the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and / or the ultrasound unit ( 42 . 72 . 82 . 84 ) are oriented to the surface at an angle. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28–40, bei der ein Abschnitt der Vorrichtung mit dem eingefügten Medium (22) im Wesentlichen in Kontakt ist und sich über eine Länge erstreckt, die kleiner oder gleich 100 Millimeter ist.Device according to one of claims 28-40, wherein a portion of the device with the inserted medium ( 22 ) is substantially in contact and extends over a length that is less than or equal to 100 millimeters. Vorrichtung nach Anspruch 41, bei der die Länge kleiner oder gleich 50 Millimeter ist.Apparatus according to claim 41, wherein the length is smaller or equal to 50 millimeters. Vorrichtung nach Anspruch 43, bei der die Länge kleiner oder gleich 3 Millimeter ist.Apparatus according to claim 43, wherein the length is smaller or equal to 3 millimeters. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28, bei dem der Festkörper (18) einen Zahn umfasst.Method according to one of claims 1-28, wherein the solid ( eighteen ) comprises a tooth. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder Anspruch 44, bei dem der Festkörper einen gekrümmten Knochen umfasst.A method according to any one of claims 1-28 or claim 44, wherein the solid state a curved one Bone includes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–45, bei dem der Festkörper einen Wirbel umfasst.A method according to any one of claims 1-28 or claims 44-45 the solid one Whirl includes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–46, bei dem der Festkörper (18) einen Abschnitt eines Knochens, der sich im Wesentlichen in der Nähe eines Gelenks befindet, umfasst.Process according to any one of claims 1-28 or claims 44-46, wherein the solid ( eighteen ) comprises a portion of a bone that is substantially proximate to a joint. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–47, bei dem der Festkörper einen Handgelenkknochen umfasst.A method according to any one of claims 1-28 or claims 44-47 the solid one Includes wrist bone. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44-48, das ferner umfasst: Bestimmen einer späteren Schallgeschwindigkeit, nachdem die zweite Schallgeschwindigkeit bestimmt worden ist, am selben Ort des Festkörpers; und Vergleichen der zweiten Geschwindigkeit mit der späteren Schallgeschwindigkeit, um Änderungen in einer Struktur des Festkörpers zu bestimmen.The method of any of claims 1-28 or claims 44-48, further comprising: Determine a later one Speed of sound, after the second speed of sound has been determined, in the same place of the solid; and to compare the second speed with the later speed of sound, about changes in a structure of the solid to determine. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–49, bei dem die Messung in einer vorgegebenen Richtung an dem Körpergewebe ausgeführt wird und das ferner umfasst: Bestimmen einer senkrechten Schallgeschwindigkeit am selben Ort des Festkörpers in einer zweiten Richtung, wobei die senkrechte Schallgeschwindigkeit zu der vorgegebenen Richtung im Wesentlichen senkrecht ist.A method according to any one of claims 1-28 or claims 44-49 the measurement in a given direction on the body tissue accomplished and further comprising: Determining a vertical sound velocity in the same place of the solid in a second direction, the vertical speed of sound is substantially perpendicular to the given direction. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der die nicht senkrechte reflektierte Welle von der Ultraschalleinheit gesendet wird.Device according to one of claims 30-37, wherein the non-vertical reflected wave is sent from the ultrasound unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der die nicht senkrechte reflektierte Welle durch den Sender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) gesendet wird.Device according to one of Claims 30-37, in which the non-perpendicular reflected wave is transmitted through the transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) is sent. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und der Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) nicht kolinear sind.Device according to Claim 29, in which the ultrasound receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ), the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and the transmitter / receiver ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ) are not colinear. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und der Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) im Wesentlichen kolinear sind.Device according to Claim 29, in which the ultrasound receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ), the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and the transmitter / receiver ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ) are substantially colinear. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) und/oder der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und/oder der Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) zu der Oberfläche unter einem Winkel orientiert sind.Device according to Claim 29, in which the ultrasound receiver ( 44 . 74 . 86 . 98 . 120 . 134 . 136 . 142 . 144 . 156 . 164 ) and / or the ultrasonic transmitter ( 40 . 70 . 80 . 90 . 110 . 130 . 132 . 138 . 140 . 150 ) and / or the ultrasonic transmitter / receiver ( 42 . 72 . 82 . 84 . 92 . 94 . 96 . 112 . 114 . 116 . 118 . 152 . 156 ) are oriented to the surface at an angle.
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